Le but de la mission est de fournir des mesures globales des aérosols et des nuages nécessaires pour arriver à une meilleure comprenhension du rôle des aérosols et des nuages dans le climat, et pour améliorer nos capacités à prédire les changements de climat à long terme ainsi que les variations climatiques saisonières ou inter-annuelles.
CALIPSO est une mission des sciences de la Terre d'une durée de 3 ans. Le Satellite rejoindra l'A-Train, il sera en orbite autour de la Terre a une altitude de 705 km, avec une inclination nominale de approximativement 98.2 degrés. Les autres Satellites formant l'A-Train sont représentés dans l'image de gauche.

L'ensemble des instruments CALIPSO mesurera les distributions verticales des aérosols des nuages dans l'atmosphère, ainsi que les propriétés optiques et physiques des aérosols et des nuages, qui influencent le bilan radiatif de la Terre.

Des mesures passives aux mesures actives

Les techniques classiques d'observation des nuages et des aérosols depuis l'espace mesurent le rayonnement visible ou infrarouge réfléchi par les cibles. Elles sont dites "passives" par opposition aux techniques "actives" pour lesquelles l'instrument est lui-même à la source du rayonnement utilisé pour sonder une cible.
Or, parce qu'ils sont fins et souvent associés à des structures multi-couches, les cirrus échappent le plus souvent à cette imagerie passive. En effet, par principe, les instruments de cette catégorie ne permettent pas de distinguer avec une bonne résolution verticale les différentes couches de nuages ou la superposition d'aérosols et de nuages, ce qui fausse significativement les classifications nuageuses et limite la possibilité d'étudier les interactions entre aérosols et nuages.
Pour percer les secrets de l'atmosphère, deux techniques ouvrent à l'heure actuelle de nouvelles perspectives : le lidar et le radar millimétrique ou "radar à nuages". Ces instruments ont déjà fait leurs preuves au cours de campagnes de mesures au sol ou aéroportées. Le lidar a également déjà été utilisé depuis l'espace, que ce soit sur la Navette spatiale, au cours de l'expérience Lite menée en 1994, ou à bord du satellite Glas, lancé en 2003 par la NASA, afin d'effectuer des mesures altimétriques des surfaces glacées. Quant au radar à nuages de Cloudsat, c'est la première fois qu'un tel instrument, présentant une sensibilité mille fois supérieure à un radar météorologique classique, vole dans l'espace.
Avec une empreinte de 90 mètres pour l'un et 700 m pour l'autre, le lidar de Calipso et le radar de Cloudsat sondent, au cours de chaque orbite, la colonne d'atmosphère située à la verticale du satellite. L'échantillonnage au sol est réalisé tous les 330 m pour le lidar et 1,1 km pour le radar. La résolution verticale de chacun des instruments est de 30 m pour le lidar et de 500 m pour le radar. L'accès à la dimension verticale de l'atmosphère se fait ainsi en complément de la dimension horizontale, qui reste l'apanage des imageurs grand champ.

Vous avez dit lidar ?

Le Lidar, pour Light detection and ranging, fonctionne sur le même principe que le radar, mais ici les ondes hyperfréquence sont remplacées par des ondes lumineuses émises par un laser (ultraviolet, visible, infrarouge). Lors de son parcours atmosphérique l'impulsion brève (quelques dizaines de nanosecondes) mais de forte intensité, émise par le laser de Calipso, est diffusée par les molécules gazeuses, les aérosols et les particules nuageuses. Les propriétés de l'atmosphère - variables physiques et concentration en constituants - sont déduites de l'intensité et des caractéristiques spectrales de la lumière renvoyée dans la direction de l'émission.
Cette lumière est collectée par un télescope avant d'être analysée. Le fait que les impulsions laser soient très brèves permet d'obtenir une analyse en distance des "échos" et de "reconstituer" la structure verticale de l'atmosphère. Le lidar peut-être utilisé de jour comme de nuit, même si les mesures de jour sont bruitées par la lumière naturelle détectée simultanément.
Le signal ainsi mesuré par le satellite s'exprime sous la forme d'une équation qui combine les propriétés de rétrodiffusion, de dépolarisation et d'atténuation de l'atmosphère. Un premier type de traitement permet d'extraire de ce signal les informations primordiales sur les diverses strates de l'atmosphère : altitude de la base et du sommet des couches et classification en nuages fins, aérosols, nuages d'eau ou de glace. D'autres algorithmes prennent ensuite le relais afin de caractériser les propriétés optiques des particules rencontrées : profil de rétrodiffusion pure et épaisseur optique des aérosols et des nuages. C'est là que les données doivent être complétées par celles issues d'autres capteurs, radar ou radiomètre passif, afin de lever l'indétermination de l'équation lidar.

Le rayon vert Contrairement à la lumière du Soleil, le "rayon vert" émis par le lidar Caliop de Calipso est totalement polarisé selon une direction. La diffusion atmosphérique modifie cette polarisation incidente et la mesure de cette dépolarisation est riche d'informations sur la nature des particules, en particulier sur leur géométrie. Or l'analyse des mesures au sol a montré que la dépolarisation des nuages de glace dépend fortement de la forme et de l'orientation des cristaux qui les composent. Il est ainsi possible de classer les particules en quatre types selon leurs formes : sphères, plaquettes, colonnes hexagonales ou polycristaux.

 

Lidar ou radar Si lidar et radar sont semblables sur le plan théorique, leurs capacités de détection sont bien différentes du fait de leurs longueurs d'onde très éloignées de part et d'autre de la distribution en taille des particules atmosphériques. La source laser émet un rayonnement visible à 532 nm et proche infrarouge à 1 064 nm, tandis que le radar fonctionne à 94 GHz, soit 3,2 mm. Le lidar est ainsi capable de détecter avec précision le sommet des nuages et la base de ceux qu'il est capable de traverser, car au-delà d'une épaisseur optique de l'ordre de 3, le signal est trop atténué pour être mesuré. La base du nuage ne peut plus être détectée par le lidar qui manque également les couches éventuellement situées sous le nuage. Les mesures réalisées en ciel clair permettent de détecter les couches d'aérosols, la couche limite atmosphérique, et la surface dont l'écho est utile pour calibrer l'instrument. À 94 GHz les micro-ondes pénètrent les nuages de glace quasiment sans atténuation. Le signal radar est sensible à la taille des particules à la puissance 6 : il ne verra donc pas les aérosols, et sera plus sensible aux nuages de glace qu'aux nuages d'eau liquide. Il détecte également les précipitations. Le radar discerne donc à la fois le sommet et la base des nuages, même épais, mais quand ils ne précipitent pas. Par conséquent, les nuages fins et les aérosols sont la prédilection du lidar tandis que le radar est performant pour les nuages bas. La complémentarité de ces deux techniques explique pourquoi Calipso et Cloudsat vont voler en tandem, Cloudsat étant asservi en position à Calipso à moins de 15 secondes. Profils lidar A gauche : mesures lidar effectuées de nuit à 532 nm par le lidar Lite embarqué à bord de la navette en septembre 1994 en région tropicale. A droite : simulation à partir des mesures de Lite de ce qu'observerait Calipso dans le cas de mesures diurnes.