Un réseau de satellites sur orbite hautement elliptique pour l’observation hydrométéorologique de la région arctique

par V. V. Asmus1, V. N. Dyadyuchenko2, Y. I. Nosenko3, G. M. Polishchuk4 et V. A. Selin3


Le manque d’informations fiables et fréquemment actualisées sur les calottes glaciaires de la Terre pose un problème grave pour la prévision du temps et se répercute sur la qualité des prévisions sur l’ensemble du globe. La mauvaise qualité des prévisions numériques concernant la région arctique et les zones septentrionales de la planète est due essentiellement à des erreurs de détermination des conditions initiales, qui dépendent de la qualité des données initiales. Jusqu’à présent, ces données provenaient de satellites météorologiques géostationnaires, qui ne balaient pas les hautes latitudes de façon très efficace, et de satellites à défilement, dont la fréquence de régénération est insuffisante. Ainsi, il est essentiel de veiller à une réception régulière d’informations satellitaires intégrées concernant la région arctique pour assurer les fonctions hydrométéorologiques, géophysiques, géochimiques, écologiques et relatives aux catastrophes les plus pressantes dans cette région.

Bien entendu, les méthodes utilisées pour analyser les champs hydrométéorologiques dans les systèmes modernes de prévision numérique du temps sont universelles et leur précision ne devrait pas dépendre de la région concernée. Toutefois, l’acquisition de conditions initiales très précises (en particulier les vecteurs vent) n’est possible que si l’on effectue des observations supplémentaires aux latitudes élevées. C’est pourquoi nous nous proposons de créer un réseau de satellites hydrométéorologiques sur orbite hautement elliptique, appelé le réseau Arctica, pour obtenir les informations complexes nécessaires au développement de l’ensemble de la région arctique.

Fait révélateur, les observations hydrométéorologiques effectuées dans le cadre de l’Année polaire internationale 2007/08 ne s’accompagnent pas de la réception simultanée et quasi continue de données de télédétection émanant de la région arctique.

Pour développer cette région dans son ensemble, il convient d’améliorer les points suivants:

Analyse et prévision:
  - Du temps à l’échelon régional (Arctique) et mondial;
  - De la couverture de glace de l’océan Arctique;
  - Des conditions héliogéophysiques dans l’espace proche de la Terre;
  - Des conditions de vol pour l’aéronautique (nébulosité, vent, courants-jets, etc.);
Suivi des catastrophes;
Suivi du changement climatique;
Collecte et relais de données issues de plates-formes d’observation terrestres, maritimes et aériennes;
Échange et diffusion de données hydrométéorologiques et héliogéophysiques traitées.

Le progrès de la prévision numérique du temps à l’échelle mondiale et régionale dépend dans une large mesure:

  • De la réception quasi continue de données hydrométéorologiques et héliogéophysiques émanant de satellites et concernant la région arctique et les zones septentrionales du globe;
  • De la réception de données issues de bouées dérivantes et de stations météorologiques automatiques situées à des latitudes élevées ainsi que des bouées du système Cospas-Sarsat, destiné aux opérations aériennes et maritimes de recherche et de sauvetage et opérant en mode téléaccès 24heures sur 24 par le biais de voies de transmission satellitaires;
  • De la communication aux utilisateurs, par le biais de voies de transmission satellitaires, de prévisions météorologiques à courte échéance et de données sur la couverture de glace.

Depuis quelques années, l’aggravation des anomalies du temps et du climat rend encore plus nécessaire un gain de fiabilité des prévisions météorologiques à moyenne et longue échéance.

À partir de 2002, les données initiales émanant de satellites géostationnaires de base ont été complétées (d’abord expérimentalement puis sur le plan opérationnel) par la calcul des vecteurs vent dans les régions polaires (latitudes supérieure à 65°N) par le spectroradiomètre imageur à moyenne résolution (MODIS) embarqué à bord des satellites Terra et Aqua du Système d’observation de la Terre lancés par la NASA.

Malgré le caractère local, la faible fréquence de mise à jour et d’autres inconvénients des données émanant du MODIS par rapport aux données transmises par des satellites géostationnaires, leur exploitation expérimentale a permis une augmentation régulière de la précision des prévisions numériques. En outre, on a noté des incidences positives, non seulement aux lati tudes élevées, mais dans les secteurs extratropicaux de l’ensemble de la zone de prévision. On a aussi constaté que les données sur les vents polaires provenant du MODIS avaient une utilité maximale en cas de «mauvaises» prévisions.

Ces recherches ont été effectuées par le Goddard Space Flight Center (GSFC) et le Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Leurs résultats ont été annoncés lors de conférences internationales sur la météorologie satellitaire et de réunions de l’International Working Group on Satellite Methods of Wind Vector Evaluation (groupe de travail international sur les méthodes satellitaires d’évaluation des vecteurs vent).

Deux facteurs compliquent l’évaluation des vecteurs vent à partir de données émanant du MODIS embarqué à bord de satellites sur orbite basse:

  • Des intervalles importants (jusqu’à 100minutes) entre les observations effectuées lors de deux passages consécutifs (il faut environ deux heures et demi pour recevoir un triplet d’images contre une demi-heure avec des satellites géostationnaires);
  • La nécessité de procédures très précises de référencement géographique et d’une «correction» des images en les réduisant à une forme nominale.

L’efficacité du réseau de bouées dérivantes dans l’Arctique et du réseau de stations météorologiques automatiques dans les pays nordiques sera déterminée en grande partie par les possibilités de transfert efficace de données depuis ces plates-formes jusqu’aux centres hydrométéorologiques régionaux et nationaux.

La région arctique présente des difficultés d’observation à partir des satellites météorologiques internationaux géostationnaires de base du fait que la zone d’observation de qualité sur orbite géostationnaire est limitée par un angle de zénith de 70°, qui correspond à 60° de latitude. Les voies de transmission employées dans les satellites géostationnaires ne peuvent pas assurer une réception de bonne qualité des données émanant des bouées dérivantes et des stations météorologiques automatiques de l’Arctique.

C’est pourquoi, depuis quelques années, les agences spatiales et les services météorologiques américain, canadien, européen et russe s’intéressent de plus en plus à la constitution de réseaux de satellites hydrométéorologiques sur orbite hautement elliptique (périgée ≈1000km, apogée ≈40000km, inclinaison ≈63°, période orbitale ≈12heures).

On préfère une orbite hautement elliptique ayant un apogée d’environ 40000 km et une période orbitale de 12heures, car elle permet l’emploi de scanneurs imageurs légèrement améliorés embarqués à bord de satellites géostationnaires, qui ont une durée de vie utile relativement longue (≈ septans) grâce à des conditions de rayonnement favorables. On a donné à ces orbites le nom d’orbites de type Molniya* en raison de leur priorité et de la grande expérience de la Fédération de Russie en matière de lancement de satellites du même nom sur ces orbites.

Le principal objectif de la mise de ces systèmes sur orbite hautement elliptique est d’obtenir des données hydrométéorologiques satellitaires quasi continues (en particulier les vecteurs vent dits «polaires») à des latitudes de la région arctique supérieures à 60°N (calotte polaire) au moyen d’instruments semblables aux imageurs actuels embarqués sur des satellites météorologiques géostationnaires de base.

Roscosmos et Roshydromet se proposent de concevoir et de réaliser le réseau Arctica de satellites sur orbite hautement elliptique pour déterminer les conditions hydrométéorologiques de la région arctique et des zones septentrionales du globe (latitudes supérieures à 60°N) en se servant de l’actuelle infrastructure scientifique et technique au sol.

La conception du réseau Arctica a été présentée dans le rapport commun des délégations de Roscosmos et de Roshydromet à la septième réunion de concertation à l’échelon le plus élevé de l’OMM sur des questions relatives aux satellites, en janvier 2007, et au Quinzième Congrès météorologique mondial, en mai 2007.

Comme l’indiquent les procès-verbaux de la première réunion du groupe de travail international de l’OMM chargé d’envisager une éventuelle coopération internationale sur le projet Arctica, qui a eu lieu en avril2007, il a été recommandé de discuter le projet plus avant dans le cadre du projet international Géolab.

Les avantages des orbites hautement elliptiques par rapport aux orbites géostationnaires pour les observations dans l’Arctique sont indiqués à la figure1.

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Figure 1 — Avantages des orbites hautement elliptiques par rapport aux orbites géostationnaires pour les observations effectuées dans l’Arctique

Les fonctionnalités du réseau Arctica seraient complémentaires de celles des satellites météorologiques géostationnaires actuels, dont les données, selon l’OMM, sont à la base d’observations mondiales continues de la Terre au XXIe siècle. La principale fonction du réseau sera la réception opérationnelle d’informations hydrométéorologiques (vitesse et direction du vent, paramètres concernant les nuages, précipitations, couverture de glace, etc.) émanant de la région arctique qui doivent servir à l’analyse et à la prévision du temps. Le réseau sera conçu de façon à recueillir et à relayer des données provenant de plates-formes d’observation terrestres, maritimes et aériennes ainsi qu’à échanger et à diffuser des données hydrométéorologiques traitées relatives à la région arctique.

On pourra utiliser les données issues du réseau Arctica en tant que caractéristiques de base des informations reçues d’autres systèmes spatiaux de télédétection dont les exigences en matière d’observations mondiales ininterrompues ne sont pas aussi strictes.

L’observation hydrométéorologique des zones septentrionales avec une fréquence des images et une qualité des données semblables à celles obtenues avec des satellites géostationnaires exige un système spatial composé de deux satellites sur orbite hautement elliptique dont les paramètres nominaux sont les suivants:

  • Altitude de l’apogée (a): ~ 40000 km
  • Altitude du périgée (π): ~ 1000 km
  • Inclinaison (i): ~ 63°
  • Période orbitale: 12 heures

La figure 2 montre l’orbite de travail des satellites Arctica.

Le nœud ascendant de l’orbite du satellite1 et le nœud descendant de celle du satellite 2 coïncident, alors que le début et la fin du segment de travail de chaque satellite se situent 3,2 heures après l’apogée. Avec les paramètres adoptés, l’orbite hautement elliptique permet:

  • Une observation quasi continue des zones arctiques à des latitudes supérieures à 60°N;
  • Une radiovisibilité continue des satellites sur le segment de travail de leur orbite pour les points de réception situés dans les régions septentrionales.

Le réseau Arctica proposé, associé aux satellites météorologiques internationaux géostationnaires de base, permettrait une observation complète de la Terre à l’exception de l’Antarctique, bien que celui-ci puisse être également couvert si l’on fait passer à quatre le nombre de satellites sur orbite hautement elliptique et qu’on choisisse des orbites appropriées.

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  Figure 2 — Orbite de travail des satellites Arctica

Le réseau Arctica se compose de deux satellites sur orbite hautement elliptique, d’un complexe au sol pour la réception, le traitement et la diffusion des données satellitaires, avec des points de réception des données et un centre terrestre de contrôle des satellites. Les éléments de surface du réseau Arctica comprennent une série de centres répartis sur la zone de réception, de traitement et de diffusion de l’information aux usagers. Il est prévu de réaliser les satellites Arctica en puisant dans les réserves scientifiques et techniques de l’Association de production scientifique S.A. Lavochkin et du Centre de recherche Planeta pour le satellite hydrométéorologique géostationnaire Electro-L, qui en est à la dernière étape de sa mise au point.

La charge utile des satellites Arctica comprendrait:

  • Un scanneur multicanal;
  • Un ensemble d’instruments héliogéophysiques;
  • Un ensemble radio embarqué;
  • Un système embarqué de collecte de données.

Cette charge utile, qui n’est pas déterminée de façon définitive, va être affinée d’après les suggestions des participants au projet. À l’heure où nous mettions sous presse, la possibilité d’inclure un moniteur vidéo panoramique multicanal mis au point par des scientifiques de l’Université de Calgary (Canada) et de l’Institut météorologique finlandais était à l’étude. Un moniteur vidéo panoramique multicanal dans le spectre ultraviolet placé sur une orbite de type Molniya produirait, dans l’hémisphère Nord, de nombreuses images de la zone des aurores boréales et de la calotte polaire pendant plus de 60% de la durée de la mission.

Il est prévu d’adapter les instruments spéciaux du satellite Electro-L aux besoins des satellites Arctica, qui, compte tenu des expériences visant à évaluer les vecteurs vent à partir de données issues de satellites géostationnaires et du MODIS dans le visible et l’infrarouge, auront les caractéristiques suivantes:

  • Couverture: totalité du disque visible de la Terre (20° x 20°);
  • Dix canaux imageurs (trois dans le visible et sept dans l’infrarouge);
  • Domaines spectraux (µm): 0,5-0,65; 0,65-0,8; 0,8-0,9; 3,5-4,0; 5,7-7,0; 7,5-8,5; 8,2-9,2; 9,2-10,2; 10,2-11,2; 11,2-12,5;
  • Résolution: 1 km dans le visible et quatre km dans l’infrarouge;
  • Rapport signal/bruit dans le visible: ≥ 200;
  • Sensibilité thermique à 300 °K dans l’infrarouge: 0,8 °K dans le canal 3,5-4 µm; 0,4 °K dans le canal 5,7-7,0 µm; 0,1 à 0,2 °K dans le canal 7,5-12,5 µm;
  • Cycle de répétition (24 heures sur 24): 15 minutes.

L’ensemble d’instruments héliogéophysiques qui mesurent les caractéristiques du rayonnement solaire ainsi que le rayonnement et les conditions magnétiques au sommet de l’orbite comprend sept capteurs:

  • Un spectromètre du rayonnement corpusculaire pour des gammes d’énergies de 0,0 à 20,0 keV, de 0,03 à 1,5 MeV et de 0,5 à 30,0 Mev;
  • Un spectromètre du rayonnement cosmique du Soleil pour des gammes d’énergies de 1,0 à 12,0 MeV, de 30,0 à 300,0 MeV et de plus de 350,0 MeV;
  • Un détecteur de rayons cosmiques galactiques pour une gamme d’énergies de plus de 600 MeV;
  • Un appareil de mesure de la constante solaire pour la gamme de 0,2 à 100,0 µm;
  • Un appareil de mesure du flux de rayons X solaire pour une gamme d’énergies de 3,0 à 10,0keV;
  • Un appareil de mesure du rayonnement ultraviolet solaire pour la raie de résonance de l’hydrogène (HLa) (121,6nm);
  • Un magnétomètre de mesure de la tension du champ magnétique pour une gamme de ± 300nTI.

 

graphique Figure 3 — Caractéristiques du réseau Arctica de satellites sur orbite hautement elliptique

Le réseau spatial Arctica pourvu des caractéristiques ci-dessus pourrait voir le jour grâce à une collaboration entre Roscosmos (Association de production scientifique S.A. Lavochkin) et Roshydromet (Centre de recherche Planeta). Roscosmos et Roshydromet sont disposés à participer à de plus amples entretiens avec IgeoLab à propos des détails d’une éventuelle collaboration internationale qui pourrait aboutir à la création du réseau Arctica d’ici quatre ans.


1.  Centre Planeta de recherche scientifique sur l’hydrométéorologie spatiale
2. Service fédéral russe d’hydrométéorologie et de surveillance de l’environnement
(Roshydromet)
3.  Agence spatiale fédérale russe (Roscosmos)
4.  Association de production scientifique S.A. Lavochkin

 


 

 

 

 

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