ENJEUX

Il s'agit de comprendre le fonctionnement de la machine océan/atmosphère, avec tous ses impacts sur l'évolution du climat, à moyen et long terme, sur l'évolution des cycles de l'eau et du carbone ou sur l'évolution du niveau de la mer, chacun de ses impacts comportant des enjeux sociétaux importants.

Les océanographes disposent de moyens d'observations de plus en plus nombreux et perfectionnés : de la télédétection aux stations de mesure in situ fixes, en passant par les mesures effectuées par les bateaux. Ces données sont assimilées dans des modèles sophistiqués, à l'aide de technique d'assimilation de plus en plus complexes, qui permettent de traduire l'information de surface dans l'ensemble de la colonne d'eau et, ainsi, de pouvoir comprendre, modéliser ou prédire le comportement de l'océan.
Les besoins d'observation de l'océan par satellite vont de l'opérationnel, c'est-à-dire d'observations continues et homogènes, parfois en temps quasi réel, dont le maintien est impératif, à des besoins exploratoires, certains paramètres pertinents n'étant toujours pas mesurables par satellite.

Même s'il est capital de considérer l'ensemble des composantes océaniques, distinguons par souci de simplicité cinq thèmes : la circulation océanique, l'état de la mer et les interfaces océan-atmosphère, les glaces de mer, la biogéochimie marine et l'environnement côtier et littoral. Pour chacun de ces thèmes, ce texte résume brièvement les enjeux, les objectifs, les principaux succès obtenus et les limites actuelles.

CIRCULATION OCEANIQUE

Il s'agit de mesurer la circulation océanique à l'échelle globale et à moyenne échelle, ainsi que la formation des masses d'eau et de suivre l'évolution du niveau de la mer. Parmi les observables pertinents qu'il faut mesurer, citons la topographie de surface, la température et la salinité des masses d'eau, le vent, l'évolution des glaces de mer, etc.
Les observations spatiales ayant probablement le plus contribué à notre compréhension de ces phénomènes sont issues des missions altimétriques, de la famille Topex-Poséidon (Cnes-Nasa), puis Jason ou de la famille ERS 1 et 2 et Envisat (Esa). Ces missions à bord desquelles sont embarqués des altimètres bi-fréquences, des radiomètres et des systèmes de positionnement précis ont apporté une description spatio-temporelle exceptionnelle de la surface océanique. Leurs données sont diffusées à plusieurs milliers d'utilisateurs dans le monde par Aviso. Elles sont par ailleurs assimilées dans les modèles permettant de prédire l'état tridimensionnel de l'océan plusieurs semaines à l'avance. C'est l'objet du Centre Mercator-Océan.
Parmi les succès de l'altimétrie, la mesure de la topographie dynamique a permis de représenter les grands courants océaniques. Le suivi de la variabilité spatiale et temporelle et ses relations avec les grands courants, le suivi des phénomènes les plus caractéristiques, tels la signature d'El Niño, la description et la quantification des marées océaniques ou de la propagation d'ondes. Les mesures continues depuis plus d'une décennie ont aussi permis d'observer la hausse des océans, estimée à 2,5 mm par an avec une précision inégalée.

L'élévation du niveau de la mer estimée par Topex-Poséidon, et Jason-1. La continuité des missions altimétriques permet une excellente précision. © A. Cazenave

Ces applications nécessitent la continuité de deux missions altimétriques complémentaires. En effet, seules deux missions complémentaires apportent l'échantillonnage spatio-temporel adéquat pour l'observation de la variabilité océanique, tant dans le domaine côtier que dans le domaine hauturier.
Par ailleurs, il est impératif de mettre en place une mission polaire, adaptée au suivi des grandes masses de glace, Groënland ou Antarctique, lesquelles contribuent potentiellement aux variations du niveau de la mer. Enfin, il faut aussi noter l'émergence de nouveaux thèmes autour de l'altimétrie continentale, la glaciologie mais aussi l'hydrologie, qui nécessitent eux aussi un bon échantillonnage spatio-temporel. Au delà de Jason-2, réalisé en coopération entre le Cnes, la Nasa, la Noaa et Eumetsat, le Cnes contribue également à la mission Saral, en coopération avec l'Isro (Agence Spatiale Indienne). La suite opérationnelle d'Envisat sera assurée par la mission Sentinel3, dans le cadre de GMES.

Les missions gravimétriques récentes, Champ (DLR) et Grace (Nasa), ont fortement appuyé l'apport des missions altimétriques en estimant indépendamment la topographie moyenne liée au géoïde, laquelle est contenue dans la topographie mesurée par altimétrie. Nous disposons maintenant d'une topographie dynamique qui permet une très bonne description de la circulation océanique liée aux courants.
Le lancement du satellite de gravimétrie Goce (Esa), prévu en 2007, fournira un géoïde de meilleure résolution spatiale pour une description de la circulation beaucoup plus fine.

En revanche, aucun capteur satellite n'est encore capable de mesurer la salinité, qui est pourtant l'une des variables d'état de l'océan. La salinité contrôle la densité de l'eau et joue donc un rôle à la fois en termes de niveau des océans et de circulation. Deux capteurs complémentaires, Smos (Esa-Cnes-CDTI) et Aquarius (Nasa-Conae) vont bientôt être lancés. Ces capteurs sont basés sur le même concept qui consiste à descendre en fréquence en radiométrie passive afin d'obtenir la sensibilité nécessaire pour l'estimation de la salinité. Les retombées en termes d'interprétation des variations du niveau de la mer, de prévision de certains phénomènes et de modélisation de la circulation océanique sont très attendues.

ETAT DE LA MER ET INTERFACE OCEAN-ATMOSPHERE

Il s'agit ici de prévoir la hauteur des vagues, pour les utilisateurs de la mer ou les modèles de circulation atmosphérique, de comprendre la physique des vagues et son impact sur les échanges entre océan et atmosphère, de mieux appréhender la climatologie du vent et des vagues à la surface de la mer et d'en suivre l'évolution. La connaissance de l'état de la mer est aussi nécessaire pour corriger les observations effectuées par satellites hyperfréquences ou optiques, qui sont fortement affectées par les différentes échelles de rugosité.
Les observables sont la hauteur des vagues, la vitesse et la direction du vent ainsi que le spectre des vagues.

Direction et intensité du vent mesuré par le diffusiomètre QuickScat (Nasa) dans l'Atlantique nord.

Parmi les succès, on doit citer ceux de l'altimétrie, capable d'estimer la hauteur des vagues, ceux du diffusiomètre conçu pour mesurer l'intensité et la direction du vent ou encore le radar à ouverture synthétique - le SAR - qui permet dans certains cas d'estimer la houle, notamment en océanographie côtière.

En revanche, la climatologie des vagues reste incomplète. Nous n'avons toujours pas accès au spectre directionnel des vagues et la couverture spatio-temporelle demeure insuffisante.
La mission Swimsat, soutenue par le Cnes depuis 1993 et proposée en coopération internationale est conçue pour pallier ces manques. Le concept, basé sur l'observation d'un faisceau à visée verticale et des faisceaux rotatifs, permettrait d'estimer le spectre directionnel des vagues et, donc, d'améliorer très fortement la prévision de celles-ci. Swimsat fournirait des statistiques sur les pentes de la rugosité ainsi qu'une climatologie complète des vagues et permettrait de mieux comprendre l'influence de l'état de la mer sur les flux. Enfin, elle décrirait les régions marginales de glaces de mer.

La température de surface des océans est aujourd'hui mesurée de façon routinière par les satellites météorologiques, qu'ils soient géostationnaires ou en orbite basse. Le satellite Metop (Eumetsat) sera ainsi l'un des contributeurs majeurs européens à la mesure de la température des océans à bord duquel est embarqué l'instrument Iasi du Cnes. Des mesures complémentaires sont également apportées par les satellites d'observation de la Terre, tels qu'Envisat. Les océans étant le plus grand réservoir de chaleur de notre planète, la mesure de leur température est d'une importance cruciale pour l'étude des phénomènes climatiques.

GLACES DE MER

Les glaces de mer influencent à la fois la circulation des océans, via leur effet sur la stratification des eaux, et l'interface océan-atmosphère, en isolant la mer. Elles jouent aussi, à travers leur très fort effet d'albédo et de rétroaction, un rôle sur le climat et constituent un indicateur climatique sensible.

Parmi les observables, l'étendue, la formation, l'âge ou la dérive des glaces de mer commencent à être mesurés avec une précision acceptable. Citons, par exemple, les séries temporelles de radiomètre hyperfréquence passive qui permettent d'estimer la diminution de l'étendue des glaces de la mer Arctique d'environ 3 à 4 % par décennie pendant l'été et de 7 à 8 % par décennie pendant l'hiver.

En revanche, leur épaisseur reste encore inaccessible depuis l'espace. Le satellite européen Cryosat, dont cet enjeu est l'objectif majeur, a malheureusement été perdu lors de son lancement en octobre 2005. Son successeur, Cryosat2, devrait être lancé début 2009. En plus de l'épaisseur des glaces de mer, il devrait fournir la topographie précise de certains glaciers continentaux.

BIOGEOCHIMIE MARINE

Il s'agit ici de comprendre le rôle de la biologie marine dans la régulation des flux de dioxyde de carbone, de suivre les changements globaux et décennaux de la biomasse du phytoplancton, de comprendre le couplage entre la circulation océanique et la production primaire. Avec pour objectif d'assurer un suivi global de la biomasse phytoplanctonique.

Production primaire de l'océan. © Morel et Antoine

Les observables - qu'il s'agisse de la concentration en chlorophylle, des sédiments en suspension, des floraisons toxiques ou de la production primaire - sont contenus dans la signature spectrale de la mer en optique, couramment appelée la "couleur de la mer". C'est donc cette information qu'il faut inverser pour restituer les différents paramètres observables nécessaires.

Parmi les succès, on peut noter l'aptitude des capteurs Seawifs (Nasa), Polder (Cnes) ou Meris (Esa) à quantifier la biomasse phytoplanctonique selon la précision recherchée ainsi que la vision renouvelée qu'ils fournissent de la biogéochimie à l'échelle de l'océan mondial. On peut aussi mieux quantifier la fixation du carbone par l'océan, que l'on estime à 50 Gt/an.

L'utilisation de ces capteurs est en train de devenir opérationnelle. Cependant, malgré les nombreuses missions actuellement et prochainement en orbite, très peu sont opérationnelles et proprement étalonnées. L'avenir proche sera assuré au travers de missions opérationnelles à la fois au niveau américain (Npoess) et européen (Sentinel3). La couverture spatio-temporelle de celles-ci reste cependant inadéquate pour l'étude des phénomènes rapides, pour lesquelles un instrument en orbite géostationnaire serait sans doute indispensable. Cet instrument pourrait être envisagé avant la fin de la prochaine décennie.

On peut noter que suite à l'arrêt de Polder-2 sur Adéos-2, le Cnes tente de poursuivre l'observation de la couleur de la mer grâce au microsatellite Parasol.

ENVIRONNEMENT COTIER ET LITTORAL

Les environnements côtier et littoral présentent deux spécificités fortes. Cela passe tout d'abord par des enjeux et des objectifs propres, comme par exemple la nécessité de connaître la bathymétrie et la circulation, les sédiments en suspension, les problèmes d'envasement, de blooms phytoplanctoniques ou d'algues toxiques.

Panache de la Gironde illustrant la simultanéité et la complexité des phénomènes. Mesure de la salinité (a), du bloom phytoplanctonique (b) et de la matière en suspension (c). © Dehouck

Il s'agit également d'une composante de petite taille, entre quelques kilomètres et quelques dizaines de kilomètres, et extrêmement variable. Les besoins en échantillonnage spatio-temporel sont donc très importants. Par exemple, un très fort gradient de salinité, de bloom phytoplanctonique et de matière en suspension peut être associé pendant quelques jours à une crue. Un échantillonnage permettant de capturer cette scène, de la décrire avec précision et de pouvoir dé-corréler tous les observables est donc nécessaire.

Parmi les succès, il faut citer les capteurs couleur de la mer ainsi que les radars à ouverture synthétique qui permettent, dans certains cas, de mesurer la houle, sa direction, sa longueur d'onde et son amplitude. L'optique permet de cartographier les champs de dune ou les traits de côte et, donc, d'en suivre l'évolution, ainsi que d'estimer la bathymétrie avec une précision de l'ordre de 20%.

De nombreuses études restent encore à mener pour améliorer l'interprétation des images couleur de la mer ou l'estimation de la bathymétrie. Par ailleurs, des observables pertinents, tels que la salinité ou les courants de surface, ne sont toujours pas mesurables dans le domaine côtier, et ne le seront pas dans les prochaines années.

Enfin, le point le plus crucial est probablement le besoin de répétitivité et d'observation précise tant en optique qu'en radar, besoin que pourra remplir Orféo (combinaison du radar italien Cosmo-Skymed et de l'imageur français Pléiades).