Aqua (satellite)

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Aqua (EOS PM-1)
Données générales
Organisation Drapeau des États-Unis NASA
Constructeur Drapeau des États-Unis TRW/Northrop Grumman
Programme EOS
Domaine Étude du cycle de l'eau
Statut opérationnel
Autres noms EOS/PM-1
Lancement
Lanceur Delta II 7920-10L
Identifiant COSPAR 2002-022A
Site [1]
Caractéristiques techniques
Masse au lancement 2 934 kg
Masse instruments 1082 kg
Plateforme AB1200
Ergols hydrazine
Contrôle d'attitude Stabilisé 3 axes
Source d'énergie Panneaux solaires
Puissance électrique 4,86 kilowatts
Orbite
Période 98,8 minutes
Inclinaison 98.2°
Principaux instruments
AMSR-E Radiomètre à micro-ondes
MODIS Spectromètre imageur
AMSU-A Capteur micro-ondes
AIRS Photomètre et spectromètre infra-rouge
HSB Sondeur très haute fréquence
CERES Radiomètre infrarouge

Aqua ou EOS/PM-1 est est une mission spatiale de la NASA lancée en 2002 pour étudier le cycle de l'eau c'est-à-dire des précipitations et des processus d'évaporation. La mission utilise un satellite d'observation de la Terre de grande taille (3 tonnes), embarquant six instruments dont deux développés par le Brésil et le Japon. Ses instruments réalisent de manière continue plusieurs douzaines de types de mesure portant sur les eaux de surface des océans, l'évaporation des océans, la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère, les nuages, les précipitations, la glace de mer, les glaciers et la neige. Aqua mesure également le flux radiatif, les aérosols, la couverture végétale du sol, le phytoplancton, la matière organique dissoute dans les océans ainsi que la température de l'air, du sol et de l'eau. Aqua contribue à améliorer les prévisions météorologiques en mesurant les profils de température et d'humidité de l'atmosphère.

Aqua est le deuxième engin spatial du programme Earth Observing System (EOS) (Système d'observation de la Terre), après le satellite Terra lancé en 1999, qui étudie la surface et ses interactions avec l'atmosphère. Aqua sera suivi par Aura lancé en 2004, chargé de l'étude de l'atmosphère. Il fait partie d'un groupe de satellites placés sur la même orbite héliosynchrone de manière à corréler leurs données et appelé portant l'appellation de A-Train. Au sein de la NASA la mission fait partie du programme Earth Science Enterprise dont l'objectif est de mieux comprendre les processus climatiques et de prédire et d'apporter des réponses adéquates aux changements climatiques liés à l'activité humaine. La mission primaire d'Aqua d'une durée de 6 ans a été prolongée et le satellite est toujours opérationnel en 2018.

Contexte[modifier | modifier le code]

À compter du début des années 1960, la NASA joue un rôle pionner dans le domaine de l'étude de l'atmosphère en utilisant pour la première fois un engin spatial, le satellite TIROS-1 (Television Infrared Observation Satellite). En combinant le recours à des satellites et des ordinateurs, il devient possible d'étudier la Terre comme un système global. Les chercheurs disposent à partir de cette époque de données permettre de mieux comprendre et prédire à court terme les phénomènes météorologiques. Mais les prédictions sur l'évolution à plus long terme du temps et du climat sont beaucoup difficiles à réaliser car elles nécessitent notamment des mesures très précises sur de longues périodes. Les changements climatiques se déroulent à de grandes échelles spatiales et temporelles ce qui rend difficile leur mesure et leur compréhension. Les scientifiques doivent disposer des séries de mesures sur de longues périodes pour comprendre les interactions entre les systèmes biologiques et physiques de la Terre[1].

Changement climatique[modifier | modifier le code]

Le réchauffement climatique, l'élévation du niveau des mers, la désertification, la destruction de la couche d'ozone, les pluies acides, la diminution de la biodiversité sont autant d'exemples de changements environnementaux qui touchent de manière croissante la planète. Le bien-être de l'humanité repose de plus en plus sur notre capacité à comprendre les facteurs à l'origine de ces phénomènes de manière à pouvoir prédire leurs impacts futurs et prendre les mesures appropriées permettant de prévenir une aggravation de la situation. C'est ainsi que les recherches scientifiques sur l'ozone stratosphériques dans les années 1970 ont débouché en 1987 sur le protocole de Montréal imposant la suppression de l'utilisation des CFC dans le but de stopper la destruction de la couche d'ozone[2].

Création du programme EOS[modifier | modifier le code]

Ce constat est à l'origine d'une initiative du président des Etats-Unis approuvée par le Congrès américain qui a débouché sur la création en 1990 par la NASA du Earth Science Enterprise (ESE) destiné à mieux comprendre les changements environnementaux en réalisant des mesures à l'aide d'instruments installés à bord d'engins spatiaux, installés au sol et aéroportés. ESE constitue la contribution de la NASA à un programme américain plus global l'U.S. Global Change Research Program (USGCRP). Le programme Earth Observing System (EOS) constitue le cœur de l'ESE. Ses objectifs sont de déterminer l'étendue, l'origine et les conséquences régionales des changements climatiques globaux. Il étudie le cycle de l'eau et de l'énergie, les océans, la chimie de la troposphère et de la basse stratosphère, l'hydrologie au sol et les processus des écosystèmes, les glaciers et calottes polaires, la chimie des couches moyenne et haute de la stratosphère, la terre solide[3].

Développement du programme EOS[modifier | modifier le code]

Le programme EOS comprend un volet scientifique, un programme de gestion des données collectées et un segment spatial comprenant plusieurs satellites circulant sur une orbite polaire En 1988 la NASA lance un appel à contributions pour la sélection de 30 instruments embarqués et des équipes scientifiques. A la suite de contraintes budgétaires imposées par le Congrès, le programme est restructuré en 1991-1992 et le budget est divisé par deux ce qui entraine l'élimination de l'instrument HIRIS et la réduction du nombre total d'instrument à 17. De plus les satellites voient leur taille revue à la baisse. Le programme subit une nouvelle baisse de budget (9%) en 1994 qui entraine l'élimination de la mission embarquant un radar et un altimètre laser (deux missions distinctes embarqueront ces instruments par la suite). Ces réductions budgétaires entrainent également un abaissement de la fréquence des lancements de 5 à 6 ans tandis que certains instruments sont embarqués sur des missions des partenaires de la NASA (NASDA, RKA, CNES, ESA). Certains des instruments sont finalement développés par des partenaires internationaux (instruments ASTER, MOPITT, HSB, OMI) ou dans le cadre d'un partenariat avec le Royaume-Uni (HIRDLS). Il était prévu de développer trois séries de missions : satellites du matin (franchissant la ligne des noeuds le matin), satellites de l'après midi et satellites dédiés à l'étude de la chimie de l'atmosphère. En 1999 cette planification est affinée et la construction des satellites suivants est lancée : Landsat-7, QuikSCAT, Terra, ACRIMSat, Aqua, Aura et ICESat[3].

Construction d'Aqua[modifier | modifier le code]

Le centre de vol spatial Goddard est l'établissement de la NASA gestionnaire de la mission. Le satellite est construit par l'établissement de TRW (devenu par la suite Northrop Grumman) situé à Redondo Beach en Californie. Le nom Aqua vient du mot latin pour eau.

Objectifs de la mission[modifier | modifier le code]

La mission Aqua doit contribuer à répondre aux questions scientifiques suivantes[4] :

  • Comment évoluent les processus touchant les précipitations, l'évaporation et le cycle de l'eau
  • Comment la circulation océanique varie t'elle d'une année sur l'autre, au fil d'une décennie et à des échelles temporelles plus longues.
  • Comment l'écosystème global évolue t'il ?
  • Quel est l'effet des processus hydrologiques à l'oeuvre dans les nuages et à la surface affecte t'il le climat de la Terre ?
  • Comme les écosystèmes réagissent et influent les changements environnementaux globaux et le cycle du carbone.

Les objectifs de la mission Aqua comprennent[4] :

  • L'obtention de profils verticaux de la température et de l'humidité de la troposphère terrestre avec une précision plus élevée que celle obtenue par les satellites précédents
  • Préciser les caractéristiques des précipitations en dehors des régions tropicales en complément des mesures effectuées par le satellite Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM)
  • Fournir quotidiennement une carte des température à la surface des océans avec une précision supérieure à celle fournie par les instruments des satellites de la NASA précédents
  • Fournir des relevés globaux de la distribution de l'humidité des régions à couverture végétale réduite corrélés avec les zones étudiées par les instruments d'Aqua
  • Fournir des données complémentaires de celles du satellite Terra pour l'étude des cycles saisonniers et annuels des écosystèmes terrestres et marins.
  • Fournir des mesures complémentaires de celles de Terra pour la mesure des évolutions saisonnières et annuelles du budget radiatif de la Terre
  • Fournir des mesures infrarouge globales de la Terre avec une résolution spectrale plus importante que celles obtenues jusque là par des instruments embarqués à bord de satellite.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Aqua est satellite lourd (2 850 kg) et de grande taille (2,68 mètres par 2,49 mètres par 6,49 mètres en position repliée sous la coiffe de son lanceur). Dans l'espace, une fois les panneaux solaires et les antennes déployées sa dimension hors tout est de 4,81 mètres × 16,70 mètres × 8,04 mètres. Le satellite utilise une plateforme stabilisée 3 axes AB1200 développée par son constructeur à des fins commerciales. L'énergie est fournie par des panneaux solaires en silicium produisant 4,6 kilowatts stockés dans une batterie nickel-cadmium. Le satellite est conçu pour fonctionner au minimum durant 6 ans[5].

Schéma du satellite : position des différents instruments.

Instruments[modifier | modifier le code]

Aqua transporte six instruments scientifiques pour l'étude du cycle de l'eau à la surface de la terre et dans l'atmosphère :

MODIS[modifier | modifier le code]

Schéma de MODIS.

MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) est un radiomètre imageur à résolution modérée pour mesurer les propriétés des nuages et les flux d'énergie radiative. Il note en plus les propriétés des aérosols, la couverture et le changement d'utilisation des sols ainsi que la détection des incendies et des éruptions volcaniques. Il enregistre des données dans 36 bandes spectrales allant de 0,4 à 14,4 μm avec une résolution spatiale de 250 m à 1 km. Ensemble, les différents spectromètres prennent une image complète de la Terre tous les 1 ou 2 jours. MODIS est conçu pour fournir des mesures à grande échelle de phénomènes globaux, tels que les variations de la couverture nuageuse terrestre, le bilan radiatif, et différents processus se passant dans les océans, sur le sol, et dans la basse atmosphère. L'instrument est également installé à bord du satellite Terra autre mission du programme Earth Observing System mis en orbite en décembre 1999. Les deux instruments fournissent des informations complémentaires. Alors que Terra passe à l'équateur à 10h30 locales sur un nœud descendant Aqua passe à l'équateur à 13h30 en nœud ascendant[5],[6].

MODIS possède un demi-angle d'ouverture de 55° d'où une fauchée de 2 330 km et une couverture journalière globale. Il effectue les différentes mesures grâce à un ensemble de barrettes CCD. Ils possèdent 36 canaux spectraux répartis du violet (405 nm) à l'infrarouge thermique (14,385 µm). Ces canaux ont été choisis pour répondre aux différentes missions[5],[6] :

La résolution spatiale de MODIS dépend des canaux utilisés, elle varie entre :

    • 250 × 250 m.
    • 500 × 500 m.
    • 1 × 1 km.

AIRS[modifier | modifier le code]

AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) est un sondeur infra-rouge à haute résolution dont l'objectif principal est la mesure de la température et l'humidité atmosphérique depuis la surface jusqu'à une altitude de 40 km. L'instrument mesurer le rayonnement dans 2 382 longueurs d'onde distinctes sont 2 378 dans l'infrarouge (entre 3,74 et 15,4 μm) et quatre en lumière visible/proche infrarouge (0,4-1,1 μm). La résolution spectrale est de 1200. La résolution spatiale horizontale va de 13,5 (en infrarouge) à 2,3 km (lumière visible) au nadir sous le satellite. La résolution spatiale verticale est de 1 kilomètre. La fauchée est 1650 kilomètres. Les capteurs de l'instrument est composés de photomètres pour le rayonnement visible/proche infra et de 11 spectromètres à fente pour l'infrarouge. Les détecteurs infrarouge sont refroidis à une température de 58 kelvin par un cryo-refroidisseur Stirling à deux étages. Un miroir mobile permet de collecter le rayonnement de part et d'autre de la trace au sol du satellite. AIRS mesure 1,17 x 80 x 95,3 cm en position repliée et sa masse est de 177 kg. Il consomme en fonctionnement 220 Watts. Le volume de données générées est de 1,27 gigabits par seconde. AIRS dérive des instruments HIRS et MSU embarqués à bord des satellites POES de la NOAA. L'instrument est fabriqué par BAE Systems pour le compte de l'établissement Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Les mesures effectuées par AIRS étaient avant le lancement du satellite réalisées par à l'aide de lâchers de ballon et d'instruments embarqués à bord de satellites mais avec une couverture très partielle au-dessus des océans, an Afrique, en Asie et en Amérique du sud. AIRS devrait assurer une couverture complète du globale avec une résolution spatiale améliorée d'un facteur 3[5],[7].

AMSU-A[modifier | modifier le code]

AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit) est un capteur micro-ondes qui effectu des mesures de la température de l'atmosphère complémentaires de celle de AIRS. AMSU est un radiomètre à micro-ondes mesurant 15 longueurs d'onde. Il comprend en fait deux instruments AMSU-A1 (13 canaux) et AMSU-A2 (2 canaux). L'instrument a une masse de 91 kg et consomme 101 Watts. Le volume de données générées est de 2 kilobits par seconde. AMSU-A est fabriqué par Aerojet et sa réalisation est supervisée par le Centre de vol spatial Goddard[5],[8].

HSB[modifier | modifier le code]

HSB (Humidity Sounder for Brazil ) est un instrument qui utilise la bande VHF pour effectuer des mesures de l'humidité atmosphérique complémentaires de celle de AIRS. HSB est un radiomètre micro-ondes qui mesure le rayonnement atmosphérique pour en déduire la quantité de vapeur d'eau et détecter les précipitations sous les nuages avec une résolution horizontale au nadir de 1,5 km. L'instrument effectue un sondage passif dans quatre longueurs d'onde comprises entre 150 et 190 GHz de la couche atmosphérique comprise entre la surface et une altitude de 42 km. HSB dérive de l'instrument AMSU-B développé par Matra marconi Space avec une participation de Equatorial Sistemas of Brazil. HSB a une masse de 51 kg et consomme 154 Watts (pic). Il mesure 70 cm x 65 cm x 46 cm. Le volume de données générées est de 4,22 kilobits par seconde. L'instrument est fourni par le centre de recherche spatial brésilien Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)[5],[9].

CERES[modifier | modifier le code]

Les deux instruments identiques CERES embarqués à bord de Aqua.

CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System) mesure le bilan radiatif de la Terre et fournit des informations sur les nuages qui permettent de déterminer le rôle de ceux-ci dans les flux radiatifs qui partent de la surface en direction du sommet de l'atmosphère. CERES emporte deux instruments identiques. Le premier collecte des données selon le mode déjà utilisé par les instruments similaires (ERBE et TRMM) pour assurer une continuité par rapport aux mesures effectuées. Le deuxième utilise un mode bi axial, qui fournit des informations plus complètes[10].

L'instrument est un radiomètre qui mesure le budget radiatif de la Terre dans trois bandes spectrales : mesure de la lumière du Soleil réfléchie en proche infrarouge et lumière visible (0,3-5 microns) avec une précision de 1%, mesure du rayonnement émis par la Terre y compris la vapeur d'eau dans l'infrarouge lointain (8-12 microns), mesure du rayonnement global réfléchi ou émis par le système atmosphère-Terre dans la longueur d'onde 0,35-125 microns avec une précision de 0,3 % La résolution spatiale est de 10-20 km au nadir. L'instrument comprend un télescope de type Cassegrain et un détecteur de type bolomètre. Les deux instruments ont globalement une masse de 100 kg et consomment 103 Watts. Ils génèrent ensemble 20 kilobits de données par seconde. La durée de vie prévue est de 6 ans[11].

CERES est développé par le centre de recherche Langley, un des établissements de la NASA qui détient une forte expertise sur le sujet acquise en réalisant la première version de CERES embarqué à bord de Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) lancé en 1997 et Terra (1999) également développé pour le programme EOS. Des instruments identiques ont été également embarqués par la suite à bord du satellite de Suomi NPP (2011) et JPSS-1 (2017)[12].

AMSR-E[modifier | modifier le code]

AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS) est un radiomètre à micro-ondes, fourni par l’Agence d'exploration aérospatiale japonaise, pour la mesure des précipitations, les propriétés des nuages, la température de surface de la mer, de la vitesse du vent près du sol, du flux d'énergie radiative entre la surface de l'eau, la glace et la neige. L'instrument est un radiomètre passif effectuant des mesures dans 6 fréquences comprises entre 6,9 et 89 GHz. Le rayonnement polarisé verticalement et horizontalement est mesuré de manière séparée. La collecte du rayonnement s'effectue avec une antenne parabolique de 1,6 mètres de diamètre qui tourne avec une vitesse de 40 tours par minute. L'instrument balaye une zone de 1445 kilomètres de large de part et d'autre de la trace au sol du satellite. La résolution spatiale est de 10x10 kilomètres. L'instrument AMSR-E mesure 1,95 m x 1,7 m x 2,4 m et le boitier électronique associé mesure 0,8 m x 1,0 m x 0,6 m. L'instrument a une masse de de 314 kg. Il consomme en fonctionnement 350 Watts. Le volume de données générées est de 87,4 kilobits par seconde. L'instrument, qui est une évolution de l'instrument AMSR embarqué à bord du satellite japonais ADEOS-II, est construit par la société japonaise Mitsubishi[5],[13].

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

Terra est mis en orbite le 4 mai 2002 par un lanceur Delta II 7920-10L qui décolle de la base de lancement de Vandenberg. Le satellite est placé sur une orbite héliosynchrone à une altitude de 705 km et avec une inclinaison orbitale de 98,2°. Sa période orbitale est de 98,8 minutes (16 orbites par jour). Il franchit la ligne des nœuds à 13h30. Il repasse sur sa trace au sol toutes les 233 orbites. Aqua fait partie du A-Train une constellation de satellites mise en place après le lancement de Aura qui regroupe plusieurs satellites circulant sur des orbites proches permettant de disposer d'observations simultanées réalisées par les instruments de ces différents engins spatiaux portant sur la même région[5]. L'instrument HSB tombe en panne en février 2008. A la suite de problèmes de friction au niveau de l'antenne rotative qui entrainent une baisse de la vitesse de rotation, l'utilisation des données collectées par AMSR-E est arrêtée à compter d'octobre 2011. L'instrument AMSR2, une version améliorée de AMSR-E, devrait être mise en orbite en 2020 à bord du satellite japonais GCOM-W1. Mi 2018, 19 ans après son lancement, le satellite et quatre de ses instruments restent complètement opérationnels. Le satellite devrait continuer à fonctionner jusqu'en 2021 sur la base de la quantité d'ergols disponible et de l'évolution prévue de l'état des batteries[14]. Dans le cadre d'une évaluation effectuée en 2017 de l'ensemble des missions d'observation de la Terre de la NASA par un comité d'experts scientifiques, la mission a été évaluée comme de très haute importance [15].

Résultats[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « NASA Facts : The earth observing system : Aqua », Centre de vol spatial Goddard,
  2. (en) John Maurer, « Overview of NASA's Terra satellite »
  3. a et b (en) « Terra », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le 30 aout 2018)
  4. a et b Aqua press kit, p. 9-10
  5. a b c d e f g et h (en) « Aqua », EO Portal (consulté le 18 avril 2014)
  6. a et b Aqua press kit, p. 22
  7. Aqua press kit, p. 11-14
  8. Aqua press kit, p. 15
  9. Aqua press kit, p. 16
  10. (en) « Terra Spacecraft », sur NASA, NASA (consulté le 30 aout 2018)
  11. (en) « Terra », EO Portal (consulté le 2 septembre 2018)
  12. (en) « CERES », sur CERES, Centre de recherche Langley (consulté le 30 aout 2018)
  13. Aqua press kit, p. 19-21
  14. (en) « The 2015 Aqua and Terra Senior Review Ac7vi7es », sur MODIS, Centre de vol spatial Goddard,
  15. (en) NASA, NASA Earth Science Senior Review Subcommittee Report - 2017, NASA, , 124 p. (lire en ligne), p. 31 — Evaluation des missions scientifiques d'observation de la Terre de la NASA effectuée en 2017

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]