Source: The Conversation – in French – By Mustapha Meftah, Chercheur au LATMOS/CNRS/UVSQ/SU et professeur à l’UVSQ, spécialisé en physique solaire, sciences de l’atmosphère, instrumentation spatiale et missions satellitaires, Sorbonne Université
Pour détecter et réguler les émissions responsables du changement climatique, certains phénomènes doivent désormais être suivis en temps réel, ou presque. Une solution consiste à démultiplier les instruments d’observation grâce à des constellations de satellites. Mais comment faire en sorte que ces constellations à but scientifique ne provoquent pas plus de problèmes qu’elles ne contribuent à en résoudre ?
Les satellites sont devenus indispensables pour observer le changement climatique. Ils mesurent les gaz à effet de serre, surveillent les incendies, observent les nuages et suivent l’évolution des océans.
Mais certains phénomènes évoluent plus vite que le rythme des observations spatiales, ce qui rend leur observation plus difficile. Ainsi, un incendie, un épisode de pollution ou une fuite de méthane d’origine anthropique (provenant par exemple d’infrastructures pétrolières et gazières, de mines de charbon ou de centres d’enfouissement) peuvent évoluer plus rapidement que le temps nécessaire à un satellite pour observer à nouveau une même région. Des étapes clés de leur évolution peuvent alors être manquées, retardant leur détection, leur localisation et les interventions visant à en limiter les impacts.
C’est pour cela que la fréquence des observations satellitaires devient désormais presque aussi importante que leur précision. Une des pistes explorées consiste à déployer des constellations de satellites afin d’augmenter fortement la fréquence des mesures depuis l’espace. Dans cette approche, l’objectif n’est plus seulement d’utiliser quelques satellites très performants, mais également d’observer la Terre beaucoup plus fréquemment grâce à des constellations composées de dizaines, voire de centaines de satellites.
Être précis ou être rapide : le compromis des observations satellitaires actuelles
Ces nouvelles approches s’inscrivent dans la continuité des grandes missions spatiales d’observation du climat, telles que OCO-2, GOSAT ou la famille des satellites Sentinel du programme Copernicus, qui fournissent déjà des données essentielles pour suivre l’évolution de l’atmosphère et du cycle du carbone. La plupart de ces missions reposent sur un nombre limité de satellites.
Fourni par l’auteur
Adapté de CEOS et acp.copernicus.org, Source : GeoSapient, Fourni par l’auteur
La mesure des gaz à effet de serre depuis l’espace est aujourd’hui considérée comme un enjeu majeur par les grandes organisations internationales de surveillance de la Terre, comme le Groupe d’observations de la Terre (en anglais, Group on Earth Observations, GEO) ou le Comité d’observation satellite de la Terre (Committee on Earth Observation Satellites, CEOS).
Pour répondre à ce besoin, plusieurs missions spatiales sont aujourd’hui en opération, telles que OCO-2, GOSAT ou Sentinel-5P, tandis que d’autres, comme CO2M, sont en préparation. Elles visent à mesurer les concentrations de gaz à effet de serre avec une précision toujours plus élevée. Certaines missions atteignent une précision de l’ordre de 1 partie par million (1 ppm) sur la concentration atmosphérique de CO₂, une performance nécessaire pour estimer les sources et les puits de carbone et mieux quantifier les échanges de CO₂ entre l’atmosphère, les océans et les continents.
Mais cette précision s’accompagne d’un compromis : pour obtenir des mesures très précises et une résolution spatiale élevée, les satellites observent généralement une bande de terrain de largeur limitée, ce qui augmente le temps nécessaire pour observer à nouveau une même région. C’est précisément cette limite que les constellations cherchent à dépasser en multipliant le nombre de satellites en orbite.
Le méthane réchauffe l’atmosphère bien plus rapidement que le CO₂, mais ses émissions évoluent trop vite pour les observations actuelles
Le méthane illustre particulièrement cette difficulté. Selon le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (Giec), le méthane réchauffe l’atmosphère environ 80 fois plus que le CO₂ sur une période de vingt ans. Réduire rapidement les émissions de méthane constitue donc un levier important pour limiter le réchauffement climatique à court terme. Le suivi du méthane repose sur la combinaison des observations satellitaires et des modèles de transport atmosphérique, qui permettent d’estimer la dispersion du méthane et l’évolution de ses émissions à l’échelle globale.
Mustapha Meftah, Fourni par l’auteur
Les satellites permettent déjà de détecter certaines émissions depuis l’espace. Sentinel-5P/TROPOMI fournit par exemple une couverture quotidienne globale permettant d’identifier de grands « super-émetteurs » régionaux. D’autres instruments, comme Sentinel-2 ou certains imageurs hyperspectraux, permettent d’observer des émissions beaucoup plus localisées.
Mais certaines émissions restent intermittentes. Une fuite de méthane peut apparaître puis disparaître entre deux observations. Pour les agences environnementales comme pour les industriels, disposer de mesures plus fréquentes devient essentiel afin de localiser rapidement ces émissions et de répondre aux nouvelles exigences de surveillance et de déclaration des émissions de gaz à effet de serre (GES), dans le cadre notamment du CBAM européen.
La fréquence d’observation, grand intérêt scientifique des constellations de satellites
C’est précisément l’intérêt des constellations de satellites. Contrairement aux missions spatiales traditionnelles, qui reposent sur quelques plates-formes complexes, ces architectures utilisent plusieurs dizaines de satellites plus petits répartis sur plusieurs plans orbitaux, généralement à des altitudes comparables. L’objectif est moins de maximiser la performance de chaque satellite que de multiplier les observations au cours d’une même journée. Selon les caractéristiques des instruments embarqués, une constellation d’une vingtaine à quelques dizaines de satellites peut ainsi réduire le temps de revisite de plusieurs jours à quelques heures.
Les avancées dans la miniaturisation des satellites et des instruments rendent désormais possibles des capteurs scientifiques plus petits, plus légers et moins coûteux. Cette miniaturisation permet de développer des capteurs adaptés à des besoins d’observation ciblés, sans chercher systématiquement à maximiser les performances ni la complexité des instruments.
S’intégrer dans des constellations de télécommunications
Une autre évolution pourrait également transformer l’observation du climat : l’intégration de capteurs scientifiques miniaturisés à bord des satellites appartenant à des constellations de télécommunications. Cette approche est notamment étudiée dans le cadre des futures générations de satellites d’Eutelsat-OneWeb, qui pourraient accueillir des charges utiles auxiliaires.
Plutôt que de lancer une constellation scientifique entièrement dédiée, avec les enjeux associés en termes de débris spatiaux, d’occupation des orbites et de pollution lumineuse, il deviendrait possible d’embarquer de tels instruments à bord de ces satellites.
Ces infrastructures pourraient ainsi servir à la fois aux télécommunications et à l’observation du climat, en mutualisant les plates-formes et les lancements, ce qui pourrait réduire significativement les coûts par rapport à une constellation scientifique entièrement dédiée, tout en augmentant la fréquence des observations.
Ces nouvelles approches ne remplaceraient pas les grandes missions climatiques institutionnelles, indispensables pour garantir la stabilité et la qualité scientifique des mesures de référence. Elles pourraient en revanche compléter les infrastructures existantes grâce à des observations beaucoup plus fréquentes de la Terre.
Mustapha Meftah, Fourni par l’auteur
La mission française UVSQ-SAT NG, développée par le laboratoire Atmosphères, observations spatiales (LATMOS), s’inscrit dans la continuité des missions UVSQ-SAT et INSPIRE-SAT 7, deux nanosatellites démonstrateurs dédiés à l’observation du bilan radiatif de la Terre.
UVSQ-SAT NG teste de nouvelles approches de miniaturisation pour l’observation du bilan radiatif terrestre et de certains gaz à effet de serre depuis une plateforme nanosatellite. Cette mission n’est pas intégrée à une constellation de télécommunications ; elle constitue un démonstrateur technologique destiné à préparer de futures architectures de constellations scientifiques. Les données de ces missions sont accessibles librement à la communauté scientifique et au public sur la plateforme NAHLA.
Mustapha Meftah a reçu des financements de l’Agence nationale de la recherche (ANR).
Alain Sarkissian a reçu des financements de l’Agence nationale de la recherche (ANR).
Philippe Keckhut a reçu des financements de l’ANR pour le projet Compétences et Métiers d’Avenir France2030; Académie Spatiale
– ref. Comment les constellations de satellites pourraient transformer la surveillance climatique – https://theconversation.com/comment-les-constellations-de-satellites-pourraient-transformer-la-surveillance-climatique-286385