Les sciences de la Terre à l'âge de l'espace

La conquête spatiale a non seulement permis à l'humanité d'atteindre les extrêmités du système solaire ou d'aller sur la Lune mais elle a également permis d'apporter beaucoup aux sciences de la Terre. Alors que les avions -et les premières fusées des années 1950- avaient déjà permis aux scientifiques de prendre de l'altitude et d'étudier la Terre de haut, les satellites ont poussé encore plus loin ces possibilités: la Terre, pour la première fois, peut être vue dans son intégralité. L'étude de la Terre depuis l'espace, de plus, a permis progressivement de bien comprendre que l'atmosphère, les continents ou les océans sont des systèmes qui interagissent entre eux. La Terre devient, de nos jours, un objet à part entière des études menées depuis l'espace. Les sciences de la Terre ont toujours été étroitement liées au développement de la technologie de l'information et une révolution s'est produite qui permet les scientifiques de manipuler d'énormes quantités de données sur de simples ordinateurs personnels

->voir un diagrame chronologique des programmes et satellites de la NASA en matière de sciences de la Terre (1958-aujourd'hui); des missions des sciences de la Terre se trouvent aussi à la liste des missions de l'ESA (en anglais seulement)

la 1ère image, le 1er avril 1960, du satellite TIROS-1; ce fut la 1ère image télévision de la Terre vue de l'espace. picture courtesy NASA

Pour ce qui est des Etats-Unis, les premières missions des sciences de la Terre affectées aux satellites jusqu'au milieu des années 1960 furent des missions consacrées aux études météorologiques. La NASA, de plus, apprit, pendant la même période à placer ses satellites exactement là où elle voulut qu'ils fussent et à les y conserver. Pour ce qui est des prévisions météorologiques, le premier satellite de la sorte américain, orbitant en orbite polaire, fut TIROS-1. Il décolla en avril 1960. "TIROS" était l'abréviation de "Television Infrared Observation Satellite" ("satellite d'observation télévision dans l'infra-rouge). Il pesait 135 kg et emportait deux caméras et deux enregistreurs vidéos. Il commençait, dans le même temps, une politique de collaboration entre la NASA et d'autres agences américaines. La NASA, ainsi, conçut et supervisa TIROS-1 en collaboration avec le Laboratoire des Signaux de l'armée (situé à Fort Monmouth), la firme RCA, le "U.S. Weather Bureau" ("bureau météorologique américain", devenu, le "National Weather Service") et le Naval Photographic Interpretation Center (centre d'interprétation photographique naval). Tout au long des années 1960, un total de 10 satellite TIROS fut lancé avec des instruments de plus en plus perfectionnés. En 1965, les ingénieurs météorologistes réussirent à combiner en une seule vue globale du temps sur Terre 450 photos TIROS. Le TIROS 1 était conçu pour tester la faisabilité d'obtenir et d'utiliser des images TV prises par satellite de la couverture nuageuse; le programme fut le premier pas expérimental pour déterminer si on pouvait utiliment utiliser les satellites dans l'étude de la Terre (à l'époque, les résultats des observations étaient encore mal prouvés). La première priorité du programme TIROS était le développement d'un système d'information météorologique par satellite; on estimait que les prévisions météo était l'utilisation la plus prometteuse des observations depuis l'espace et le satellite TIROS commença une couverture continue de la météorologie terrestre en 1962 et les résultats furent utilisés par tous les météorologues du monde. Tirant leur nom du mot latin pour les nuages qui apportent la pluie, les satellites Nimbus ont été une série de sept satellites lancés sur une période de 14 ans, entre 1964 et 1978; ils ont joué un rôle fondamental dans le développement des sciences de la Terre. Au total, ces satellites ont fourni des données sur la Terre pendant 30 ans. Verner E. Suomi est considéré comme le "prère des satellites météorologiques" américains; il a défriché, via le satellite Explorer 7, en 1959, le champ de l'observation de la Terre depuis l'orbite polaire puis les orbites géostationnaires avec l'ATS-1 en 1966. On le connaît mieux aussi comme l'inventeur de la camera dite "spin-scan", qui permet les satellites météo en orbite géostationnaire de visionner la Terre en continu, produisant les images satellites utilisées pour les émissions météo télévisées. Verner Suomi a passé l'essentiel de sa carrière à l'université de Wisconsin-Madison où il fonda, en 1965, avec le financement de la NASA, le "Space Science and Engineering Center" ("centre de sciences et d'ingénierie de l'espace"). Ce centre mène des études en matière de recherche et de conception de satellites d'observation de la Terre. Verner Suomi, en 1964, a été, pendant un an, scientifique-en-chef du "Weather Bureau" américain (l'ancêtre la NOAA, l'agence météorologique des Etats-Unis); il est mort en 1995 à l'âge de 79 ans. Les satellites de la série TIROS continuèrent leur carrière et ils la finirent sous le nom de satellites NOAA; le dernier fut lancé en février 2009. Depuis 1975, les satellites GOES (pour "Geostationary Operational Environmental Satellite") qui sont synchrones avec la rotation de la Terre, combinent leur données avec celles des satellites GOES à orbite polaire et sont ainsi des outils puissants. La NOAA, l'agence météorologique américaine collabore, de nos jours avec l'agence européenne "European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites". En date du 1er février 2010, l'administration Obama a restructuré le système NPOESS ("National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System"), un système de coopération entre la NOAA, la NASA et le Département de la Défense américain. Le "NPOESS Preparatory Project", qui sera lancé fin 2011, va tester les capteurs de prochaine génération et permettra la continuité avec les satellites du "Earth Observing System". Deux satellites à orbite polaire seront lancés dans le cadre du "Joint Polar Satellite System" en 2015 et 2018. La NOAA et la NASA, de plus, travaillent sur la nouvelle série des satellites GOES-R, qui entreront en service à partir de 2015. Ces satellites de dernière génération en termes de météorologie auront une précision deux fois supérieure à celle des GOES actuels et collecteront 20 fois plus de données. Au début de la conquête spatiale, on n'était pas sûr qu'on pût voir clairement la surface de la Terre depuis l'espace: beaucoup pensaient que les particules de poussière et autres aérosols de l'atmosphère diffracteraient la lumière, masquant les océans et les continents. Les programmes Gemini puis Apollo prouvèrent le contraire; les astronautes utilisèrent alors des appareils photographiques spécialisés pour prendre des photos de la Terre qui montrèrent la beauté et la complexité de notre planète portant la vie et ils aidèrent au démarrage de l'ère des sciences de la Terre depuis l'espace. En 1972, la première mission Landsat commen¸a d'enregistrer, pendant 40 ans, les océans et les terres et puis l'automne 1997, les satellites de la NASA -en commençant par le satellite Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (ou SeaWiFS), ont observé continûment et globalement la vie végétale des terres et des mers (le plancton). La décennie 1968-1977, elle, vit l'agence américaine accroître le nombre de ses satellites consacrés aux sciences de la Terre et, surtout, elle mit en oeuvre, au sol, un vaste ensemble de programmes pour permettre l'interprétation des données collectées par les satellites. La météorologie, par ailleurs, ne resta pas le seul champ d'investigation des satellites: on les utilisa aussi pour d'autres champs -ainsi l'étude de l'atmosphère terrestre- voire des études de type global; on utilisa une vaste gamme de nouvelles techniques d'imagerie -ainsi, par exemple, l'infra-rouge. La "NOAA" (la "National Oceanographic and Atmospheric Administration", l'agence américaine de météorologie et d'océanographie) fut créée à cette époque -en 1974- et elle regroupa sous son autorité divers services fédéraux spécialisés dans la météo et le climat (ceux-ci, d'ailleurs, avaient déjà été intégrés en le "National weather Service" -le "Service national météorologique"- en 1970)

->Des détails sur le programme de base de la NOAA!
Le programme GOES a officiellement commencé en 1975 en tant qu'entreprise jointe de la NOAA (l'agence météorologique américaine) et de la NASA. Les satellites GOES furent construits par un partenariat des deux agences avec le milieu de l'industrie (qui fut conçu par la NASA et les industriels et qui est géré par la NOAA). La NOAA utilise deux satellites GOES: le "GOES-East" et le "GOES-West" pour surveiller les conditions qui déclenchent des phénomènes météo dangereux: tornades, inondations rapides, grêle, ouragans. Le GOES-West couvre l'Ouest des Etats-Unis ainsi que le Pacifique central et oriental alors que le GOES-East couvrent l'Est et l'océan Atlantique. La station au sol des GOES se situe sur l'île Wallops et une station de secours (la "station Goddard", ou "Wallops Backup", ou WBU) se trouve au centre Goddard de la NASA et est capable de contrôler le satellite est. Une nouvelle antenne de 16m, à Wallops a été conçue pour pouvoir fonctionner sous un ouragan de catégorie 3 et résister à un ouragan de catégorie 5. Les antennes de la NOAA sont à la fois des transmetteurs (les commandes à destination des satellites) et des récepteurs (les données). Le premier satellite du programme GOES a été lancé de Cap Canaveral le 16 octobre 1975. Une nouvelle série de satellites GOES météo financés par la NASA et la NOAA remplacera la flotte actuelle, laquelle n'avait pas été modernisée depuis 40 ans

une vue -traitée- des Grands Lacs, Amérique du Nord, vus depuis l'espace. NASA/JPL

Les sciences de la Terre atteignirent l'âge adulte pendant la période 1978-1987. Les outils consacrés aux études en matière de météorologie et d'atmosphère continuèrent de se développer. On découvrit le trou de la couche d'ozone et les satellites consacrés à l'observation, en général, de la Terre depuis l'espace devinrent l'un des centres de l'activité de la NASA. Une fois les sciences de la Terre ainsi devenues définitivement "adultes", elles devinrent, au cours de la décennie 1987-1998, officiellement, une partie des activités de l'agence spatiale. Ce secteur des activités de la NASA prit alors le nom de "NASA's Mission to Planet Earth" (littéralement "mission planète Terre pour la NASA"). Comme on entrait dans l'âge de l'information -via l'informatique- l'intérêt principal passa de la collecte des données au partage et à la dissémination de celles-ci. De nombreuses données devinrent disponibles ainsi que des vues en temps réel des diverses réalités de la Terre. Des "centres d'acquisition de données" (en anglais, "Data Acquisition Centers", "DAAC") furent utilisés comme centre de discrimination pour les données satellites qui avaient déjà été traitées à partir des données brutes. Les sciences de la Terre, ainsi, furent l'objet du premier site web jamais créé par la NASA. Aujourd'hui, les missions et les programmes en matière de sciences de la Terre continuent; elles visent à étudier encore plus avant comment la Terre fonctionne en tant qu'ensemble de systèmes variés

Le "Earth Observing System Data and Information System", ou "EOSDIS" (le "Système de données et d'information pour le système d'observation de la Terre") réunit les données de sciences de la Terre qui sont collectées par plus de 30 satellites et les rend disponibles à plus de 17000 utilisateurs -des chercheurs de niveau fédéral ou local au grand public. L'EOSDIS se trouve au Goddard Space Flight Center (GSFC) dans le Maryland. Le site "NASA's Earth Observatory", un site créé en avril 1999, ouvre au public, chaque jour, des images venues des satellites des sciences de la Terre. Une flotte complète de satellites de la NASA observe la Terre, récoltant des données complexes sur l'atmosphère, le cycle des saisons ou de la pousse des plantes, la banquise ou les schémas de la circulation océanique ou des températures. En tant le système consacré aux données scientifiques des sciences de la Terre, le EOSDIS est chargé de commander, contrôler, programmer le traitement des données, leur archivage ainsi que les services de mise à disposition. L'EOSDIS gère donc ce flux d'information -des satellites en orbite aux centres de traitement des données puis aux ordinateurs des scientifiques. 12 centres existent aux Etats-Unis et se trouvent soit dans les centres de la NASA ou dans des institutions partenaires et ils sont, chacun, spécialisés dans un type spécifique de données. Les satellites des sciences de la Terre américains, actuellement, font, pour l'essentiel, partie du "Earth Observing System" ou "EOS", en abrégé, de la NASA qui est un ensemble de missions dont le but est de procéder à des mesures globales, à long termes, des différents systèmes qui sont à l'oeuvre sur la Terre. L'EOS a commencé de fonctionner en 1995. La flotte de l'EOS a révolutionné l'approche de la Terre; elle s'est faite le pionnier d'une approche interdisciplinaire des sciences de la Terre, qu'on appelle "Earth systems sciences" ("sciences des systèmes de la Terre"). Elle se centre sur l'étude, en tant que système interconnecté et non parties indépendantes, des différents composants du fonctionnement de la Terre. De nouveaux capteurs thermiques pour le jour, les QWIP ("Quantum Well Infrared Photodetectors", "photo-détecteurs à infrarouge à puits quantique"), ont été conçus depuis 2012 (pour être utilisés sur les satellites Landsat) sur la base des principes de la mécanique quantique. Des puces électroniques à l'arsenide de gallium piègent des électrons dans un "puits" à "niveau d'énergie" jusqu'à ce que ceux-ci soient amenés à un niveau d'énergie plus élevé par la lumière infrarouge. Les électrons créent alors un signal électrique qui est transformé en image digitale. Récemment, les missions spatiales ont amélioré leurs capacités d'étude en terme d'agriculture: des cartes zonales, réalisées avec des données collectées par des satellites de la NASA ou les satellites Landsat de l'USGS peuvent dire aux fermiers quel est l'état de leurs champs. Ces cartes, par exemple, peuvent permettre d'ajuster l'emploi des engrais ou montrer la différence entre des plantes en bonne santé ou des plantes stressées (via la lumière réfléchie dans différentes longueurs d'onde). Bénéficient aussi de ces avancées les chercheurs, les compagnies d'assurance, les gestionnaires des ressources en eau, les cartographes et de nombreux autres utilisateurs

Depuis son achèvement en 2010, la Station Spatiale Internationale, l'ISS, abrite une série d'outils des sciences de la Terre; on y trouve aussi la "Cupola", un kiosque avec appareils-photo qui permettent la capture d'images de la Terre

->Le programme Landsat
Un programme très connu des sciences de la Terre depuis l'espace est celui des satellites Landsat. Le premier satellite du programme, le ERTS-1, fut lancé le 23 juillet 1972 par la NASA en collaboration avec le département de l'Intérieur américain (le ministère de l'aménagement du territoire) et son agence géologique l'USGS ("U.S. Geological Survey"). Comme "ERTS" s'avérait difficile à prononcer, on le rebaptisa "Landsat-1". Dès les années 1970, les scientifiques de la "Large Area Crop Inventory Experiment" ("expérience d'inventaire des récoltes sur de grandes surfaces") prouvèrent que l'on pouvait observer les récoltes depuis l'espace et, en 1979, ils l'utilisèrent pour prévoir avec précision, avant la récolte, la récolte de blé de l'URSS. L'estimation des récoltes entra ainsi en service au profit des estimations de nourriture dans le monde, les politiques gouvernementales et les décisions en matière de commerce international. En 1979, l'administration Carter transféra le programme Landsat à l'agence météorologique américaine, la NOAA et le transforma d'un programme de recherche en programme opérationnel. En 1984, une loi prise par le Congrès privatisa les Landsat, lesquels furent alors pris en charge par la EOSAT ("Earth Observation Satellite Company", "compagnie satellitaire d'observation de la Terre"). L'EOSAT, cependant, démarra dans un environnement qui avait vu les prix des images Landsat augmenter au point que seuls restaient les clients les plus importants, l'armée ou les compagnies pétrolières et minières. C'est aussi à l'époque EOSAT que la prise d'image fut décidée en fonction des demandes des clients, ce qui amena une couverture en fait limitée. Aussi, l'utilité de la série de données Landsat sembla alors décliner. Puis le financement des Landsat fut repris par des agences gouvernementales et, en 1992, le Congrès américain en revint à un programme gouvernemental. Les satellites Landsat sont des satellites robustes, à durée de vie longue. Landsat 8 (ou Landsat Data Continuity Mission (LDCM)), lancé en 2013, a donné deux fois plus d'images que le Landsat 7. Depuis 2008, toutes les données des Landsat sont rassemblées à l'USGS et sont disponibles gratuitement sur Internet. Plus de trois millions d'images sont disponibles et d'autres sont ajoutées chaque jour; ces images montrent la surface terrestre sur une durée de 40 ans. Depuis 2012, de plus, un système à haute performance de calcul et d'accès aux données, dit le "NASA Earth Exchange" ("échange Terre de la NASA", NEX), a été mis en place; il combine des modélisations de la planète Terre, des données recueillies depuis l'espace par la NASA et d'autres agences et un réseau scientifique, ce qui permet de délivrer à des chercheurs, basé sur l'imagerie Landsat, un environnement complet. Pour ce qui de l'instrumentation, le plan original était d'utiliser des caméras de télévision spéciales dites "return beam vidicons" en anglais ("vidicons à faisceau retour", RBV) puis la firme Hughes Aircraft fit adopter un système à scanner qui imageait la Terre par bandes, avait un plus grand nombre de bandes passantes et utilisait la technologie, alors récente, de la fibre optique; ces techniques permettaient de l'imagerie discriminante. Les capteurs des Landsat ont continué de s'améliorer avec le temps. Les Landsat, de nos jours, sont de la compétence de la NASA et du Département américain de l'Intérieur, le "U.S. Geological Survey" (USGS en abrégé) plus particulièrement, l'agence géologique américaine. Le satellite qui a duré le plus longtemps dans la série des Landsat a été le Landsat 5, qui, depuis son lancement en mars 1984, est resté en orbite pendant 28 ans et 10 mois, accomplissant plus de 150 000 orbites et renvoyant plus de 2,5 millions d'images de la Terre. Il devait être mis hors-service début 2013 parce qu'un gyroscope de secours ne fonctionnait plus. Le Landsat avait originellement été conçu pour pouvoir être récupéré par la navette spatiale et avait été pourvu de carburant supplémentaire -ce qui lui a permis de travailler pendant beaucoup plus longtemps qu'on ne l'avait prévu (la récupération par la navette ayant été finalement annulée). Le satellite a connu plus de vingt problèmes techniques mais l'équipe des opérations de vol du USGS ("USGS Flight Operations team") a trouvé des solutions d'ingénierie et opérationnelles qui ont permis de contourner ces difficultés. Ces problèmes avaient affecté les batteries, les suiveurs d'étoiles et la capacité d'enregistrement des données. La longétivité -12 ans- du Landsat 5 a permis aussi de garantir la continuité du programme Landsat lorsque le programme perdit le Landsat 6 en 1993; le fait que le Landsat 5 continuait de fonctionner a permis au programme de continuer jusqu'au lancement du Landsat 7 en 1999. Les Landsat comportent deux instruments, le Multispectral Scanner System ("système de scannage multispectral", MSS) et le Thematic Mapper ("cartographieur thématique", TM). Le Landsat de 2013 emportera deux instruments de plus, l'Operational Land Imager ("imageur de surface opérationnel") et le Thermal Infrared Sensor ("capteur infrarouge thermique"); les données collectées par ces instruments seront compatibles avec celles des Landsat 5 et 7 mais apporteront des améliorations: le concept plus évolué des instruments les rendra plus sensibles aux changements survenus aux terres observées. Pour ce qui du contrôle d'attitude, les Landsats sont équipés de trois gyroscopes, dont seuls deux sont utilisés

->La mission STRM
Deux antennes radar, dues au JPL et lancées le 11 février 2000 à bord de la navette spatiale pour une mission de 11 jours dite "Shuttle Radar Topography Mission" ou "STRM" (en français: "mission de topographie radar de la navette spatiale") ont recueilli des données permettant de créer la première base de données en haute-résolution, quasi globale, du relief terrestre. 80% de la surface furent couverts et le radar permit d'accéder à des régions qui étaient restées jusque là cachées par la couverture nuageuse. Ces données ont été utilisées par les scientifiques, les ingénieurs, les agences publiques américaines voire le grand public dans des applications allant de la planification de l'utilisation des sols à des cartes virtuelles du relief terrestre. La NASA, actuellement, utilise les données de la mission STRM pour mettre en oeuvre une carte du relief globale, qui sera encore meilleure car elle intègre aussi le modèle de relief digital dit "Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer", qui a été rendu public par l'agence spatiale américaine et le ministère de l'économie japonais

->Le programme Meteosat de l'ESA
Le satellite Meteosat-1, avec sa forme en tambour, fut le premier satellite d'observation de la terre de l'ESA. Il fut lancé le 23 novembre 1977, assurant une couverture du globe entier à partir de l'orbite géostationnaire. Le Meteosat-1 constitua une étape importante dans la coopération européenne dans l'espace car les pays d'Europe, individuellement, avaient commencé un suivi de l'ionosphère depuis l'espace; les European Space Conferences (conférences spatiales européennes) des années 1960 convinrent en principe qu'il devrait y avoir un satellite météorologique européen. Meteosat commença en tant que projet français, avec l'implication du CNES et du service météorologique français. Mais, dans le même temps, l'ESRO (le European Space Research Organisation, précurseur de l'ESA) envisageait les possibilités de satellites géostationnaires et en orbite polaire (l'ESRO finit par se décider sur un satellite géostationnaire). Pour éviter de faire double-emploi avec les efforts français et après une longue période d'études et de négociation, les fondations furent posées pour que le projet Meteosat évoluât d'un projet français à un projet européen. Plutôt que de délocaliser toute l'opération de France, on décida de créer un bureau de l'ESA à Toulouse, d'où Meteosat serait développé puis contrôlé. Meteosat-1 se trouvait en orbite stable au-dessus du méridien de Greenwich et il disposait d'un canal d'observation de la vapeur d'eau pour suivre le mouvement de l'humidité dans l'air; il pouvait balayer le disque complet de la Terre toutes les 30 minutes, les données étant fournies presqu'en temps réel aux utilisateurs. Le nouveau satellite nécessita de grandes améliorations dans les puissances de calcul de l'ESA à la fois pour la télémétrie et pour le traitement des données image. 35 ans d'imagerie Meteosat sont maintenant disponibles en ligne, fournies par les satellites suivants du programme Meteosat. Il s'écoula presqu'une décennie entre le lancement de Meteosat-1 et la fondation officielle d'EUMETSAT, l'organisation européenne créée pour exploiter les données satellitaires pour la recherche météorologique et climatique. EUMETSAT possède aujourd'hui 30 États membres et continue de développer de nouveaux programmes satellites en coopération avec l'ESA. Une deuxième génération Meteosat (la Meteosat Second Generation) a suivi alors qu'actuellement une troisième génération (Meteosat Third Generation) est en cours de développement, qui mènera l'Europe jusque dans les années 2030