Les satellites d’observation de la Terre - les bandes passives

14 juillet 2019

La newsletter de mai décodait les informations que l’on peut lire dans la presse sur le risque de perturbation des prévisions météorologiques par la 5G. Nous allons dans cette newsletter vous expliquer comment fonctionnent les satellites d’observation de la Terre et pourquoi leur protection est essentielle !

Qu’observent les satellites météorologiques ?

Les satellites météorologiques observent principalement :

Les nuages (classification, température et altitude du sommet, détection de cellules convectives, contenu en eau liquide, risque de précipitations,…).
L’atmosphère (température, humidité, aérosols, panaches de cendres volcaniques, concentration de certains gaz, …)
La surface terrestre (température, flux radiatifs, indice de végétation, neige, incendies de forêt, cartographie de végétation, glaces de mer,…)

Les données mesurées sont alors utilisées dans des modèles numériques servant à la prévision des événements climatiques, pour effectuer une surveillance du climat (bilan radiatif, statistiques sur les nuages et les précipitations,…) et pour valider des modèles climatiques.

Que mesurent les satellites météorologiques ? Quelques notions de rayonnement…

Les satellites météorologiques mesurent des champs électromagnétiques sur un large spectre de fréquences, qui va des radiofréquences aux infra-rouges et poursuit jusqu’à la lumière visible (lorsque qu’une optique, par exemple, pointe en direction de la Terre).

Les champs électromagnétiques traduisent des transferts énergétiques associés à la mobilité (accélération, friction, collision) de particules élémentaires (électrons) mais aussi à celle d’éléments plus complexes comme des atomes, des ions ou même des molécules. Ils peuvent aussi se produire par changement de configuration interne (quantique) de ces éléments. Dans le premier cas, les émissions électromagnétiques sont dites à spectre continu, dans le second à spectre de raie.

Pour aller plus loin !

Tout corps dont la température thermodynamique dépasse le seuil de 0 K (ou -273.16 °C, température du zéro absolu à laquelle tout est figé) produit des champs électromagnétiques du fait de l’agitation des particules qui le constituent. L’intensité de ce rayonnement est nommée brillance (terme usuel en télédétection hyperfréquence) ou luminance (définition scientifique). Elle englobe aussi bien le spectre d’émission associé à d’activité interne de l’objet mesuré que sa réponse aux rayonnements du milieu qui l’englobe (réflexion, absorption, transmission ou diffusion de rayonnement issu d’une autre source). Dans le cas d’un corps considéré comme parfait (corps noir, c’est-à-dire opaque à son propre rayonnement, ou ayant la faculté d’émettre un rayonnement identique à celui qu’il absorbe afin de respecter son équilibre thermodynamique), la loi de Planck stipule que sa brillance n’est fonction que de la température du corps noir et de la fréquence, et non de la matière qui l’émet. La figure ci-dessous (Source : météo France) présente le rayonnement de certains corps parfaits à différentes températures.

Que mesurent les satellites météorologiques ?

L’équipement de mesure d’un satellite météorologique est un radiomètre, spécialement conçu pour mesurer les températures de brillance des surfaces visées. Les satellites météorologiques, largement défilant (donc sur des orbites qui ne sont pas géostationnaires), pointent leurs capteurs en direction de la surface de la Terre. Entre le capteur, situé dans l’espace, et le sol terrestre, de nombreuses couches atmosphériques se superposent. Ce capteur reçoit donc le rayonnement du sol, mais aussi la réflexion sur la cible d’éventuels rayonnements issus d’autres sources (comme le soleil), tout comme la transmission ou la diffusion du rayonnement issue de la source par des objets situés entre le sol et l’espace (et notamment l’atmosphère). Le spectre reçu n’est plus le spectre parfait de l’objet visé (comme le sol), mais l’association des différents spectres d’absorption, d’émission, de diffusion et de transmission des couches traversées comme l’illustre le diagramme à droite de la figure suivante.

Cette figure permet de comprendre quelle perception du rayonnement solaire nous pouvons avoir suivant la position de la mesure : soit depuis l’espace au-dessus de l’atmosphère, soit depuis la surface terrestre, où ce rayonnement subit des transformations notables en traversant l’atmosphère. Ce rayonnement apparaît particulièrement important dans les très hautes fréquences du spectre, dans l’infrarouge et dans le domaine visible. De ce fait, les mesures radiométriques dans le domaine des hyperfréquences ont l’avantage de pouvoir être exemptées de perturbations importantes dues aux rayonnements thermiques solaires.

Il faut noter enfin, que les rayonnements thermiques sont faibles et nécessitent des appareils de mesures extrêmement sensibles. Ces rayonnements ne peuvent être mesurés dans des bandes de fréquences où opèrent des émetteurs artificiels puissants.

Du point de vue des fréquences, qu’est-ce que l’atmosphère ?

Notre atmosphère sèche est constituée d’environ 78,087 % de diazote, 20,95 % de dioxygène, 0,93 % d'argon, 0,04 % de dioxyde de carbone et des traces d'autres gaz, dont du dihydrogène et du méthane. Les nuages qui sont liquides, parfois solides, ne sont pas considérés comme des constituants de l'atmosphère. En revanche la vapeur d'eau contenue dans l'air humide représente en moyenne 0,25 % de la masse totale de l'atmosphère. Sa concentration locale peut atteindre 5 %, notamment dans les régions maritimes équatoriales. La plupart de ces gaz sont considérés comme répartis de façon homogène dans l’atmosphère. Seuls la vapeur d’eau et l’ozone présentent des concentrations qui peuvent être supposées comme variables avec l’altitude.

Les différentes couches de l’atmosphère peuvent présenter des températures de brillance différentes mais il convient de noter qu’au-delà de ces rayonnements thermiques, les éléments qui constituent ces couches (O2, H2O, CO2, N2, etc.) émettent (ou absorbent) aussi des rayonnements qui leur sont propres (spectre de raie). Par exemple, la vapeur d’eau émet et absorbe naturellement des ondes entre 22.21 et 22.5 GHz du fait d’une rotation de l’une de ses liaisons covalentes. Entre 50 et 60 GHz, c’est le dioxygène qui résonne dans de nombreuses sous-bandes, tout comme l’atome d’hydrogène à 1.4 GHz ou la molécule d’ammoniac autour de 23,6 GHz. L’atmosphère n’étant pas constituée d’ammoniac ou d’atomes isolés d’hydrogène (le dihydrogène n’ayant pas les mêmes raies), les bandes 1.4 GHz ou 23.6 GHz sont exemptes de rayonnement quantique et les mesures thermiques n’y sont donc pas perturbées par de fortes dynamiques d’émission ou d’absorption. La figure 1 présente les intensités (relatives) de la température de brillance des milieux constituant la visibilité des satellites au-dessus des océans et des terres émergées.

Fréquences préférées au-dessus des océans :

la mesure de la salinité se fait bien au-dessus des océans pour des fréquences basses (jusqu’à 4/5 GHz), la bande 1.4 GHz a quant à elle été choisie pour son absence de pollution issue d’émetteurs artificielles (prohibés dans la bande – voir section relative à la protection des bandes).
La température de surface des océans est idéalement mesurée autour de 6 GHz.
Autour de 10 GHz, l’observation des radiomètres embarqués permet de décrire l’intensité des pluies, les morphologies glaciaires ou bien encore la vitesse des vents océaniques.
Autour de 18 GHz, les températures de brillance de la vapeur d’eau et de la surface océanique sont simultanément faibles et la fréquence est donc idéale pour mesurer l’émissivité de l’océan rendu « rugueux » par la présence du vent ou de glace. La mesure à 18 GHz permet par connaissance de l’état de la mer de corriger les mesures de température de surface et de salinité de l’océan.
La vapeur d’eau se mesure entre 22 et 24 GHz avec une préférence autour de 24 GHz pour éviter les dynamiques fortes de la résonance de la molécule d’eau (qui ont lieu autour de 22.5 GHz). La mesure dans cette bande sert donc à évaluer la teneur totale en vapeur d'eau le long de la ligne de visée et à déterminer les corrections nécessaires dans les autres canaux.
L’eau liquide dans les nuages (mais aussi la pluie) se fait autour de 36 GHz. Les bandes 24 et 36 GHz apparaissent donc complémentaires puisque que l’information combinée donne une précision sur la mesure de vapeur d’eau en présence de nuage.
Les profils de température de l’atmosphère se font autour de 60 GHz. Cela s’explique par l’utilisation des raies spectrales de l’oxygène. On notera en effet que le dioxygène représente 23 % de la masse globale de l’atmosphère terrestre et cette molécule y est particulièrement bien répartie. Le nombre de molécules qui émettent à n’importe quelle altitude ne dépend alors que de la pression.
Les bandes entre 86 et 92 GHz sont complémentaires de la bande 36 GHz, tout en présentant une résolution spatiale nettement supérieure.

Fréquences préférées au-dessus des terres émergées :

Le problème apparaît plus complexe au-dessus des terres étant donné la grande variabilité temporelle et spatiale des caractéristiques de surface (qui vont des régions recouvertes de neige ou de glace aux déserts et aux forêts ombrophiles tropicales). De plus, le signal reçu par le capteur passif traverse plusieurs milieux différents : le sol, peut-être couvert de neige et/ou de glace, la végétation, l'atmosphère et les nuages, parfois, la pluie ou la neige. Il faut aussi tenir compte du fait que, pour chaque milieu, plusieurs éléments peuvent influer sur le rayonnement émis. Par exemple, la température de luminance d'un sol varie selon sa température, son humidité, sa texture et les irrégularités de la surface. De même, la contribution de la végétation est associée à la température et à la structure de la couverture végétale. On note tout de même que certaines fréquences sont privilégiées pour les mesures de certains paramètres géophysiques :

une basse fréquence pour mesurer l'humidité du sol (autour de 1.4 GHz) ;
des mesures entre 5 GHz et 10 GHz, afin d'estimer la biomasse végétale une fois que l'on connaît la contribution de l'humidité du sol;
deux fréquences autour de la crête d'absorption de la vapeur d'eau (généralement 18-19 GHz et 23-24 GHz) pour évaluer l'apport de l'atmosphère ;
une fréquence avoisinant 37 GHz, dans le but de déterminer l'eau liquide des nuages (à 18 GHz) ou la structure de la végétation (à 10 GHz) et la rugosité de la surface (à 1 GHz et 5 GHz ou 10 GHz) ;
Une fréquence de 85 GHz ou 90 GHz est utile pour surveiller les pluies, mais uniquement lorsque tous les autres facteurs peuvent être évalués à des fréquences plus basses

Les mesures des radiomètres en image

Les images suivantes ont été produites par le satellite GCOM-W1 (japonais, mis en service en 2012 et toujours opérationnel) utilisant un radiomètre de type AMSR-2 (bande 6/7 GHz, 10 GHz, 18 GHz, 24 GHz, 36 GHz et 89 GHz). Ces mesures sont prises sur trois jours de passage les 10, 11 et 12 Juin 2019. Comme la plupart des données météorologiques, elles sont publiques et exploitables. Il faut noter que :

La mesure de la température de surface se fait par croisement des données issues des bandes 6 GHz et 18 GHz.
Les mesures de la vitesse du vent à basse fréquence (LF – Low Frequency) s’établissent sur le traitement des mesures élaborées par les capteurs fonctionnant de 10 à 36 GHz.
Les mesures de la vitesse du vent à fréquence moyenne (MF – Medium Frequency) découlent du traitement des données issues de capteurs fonctionnant de 18 à 36 GHz.
Les mesures de la vapeur d’eau, de l’eau liquide et de la pluie se font par croisement des données à 24 GHz, 36 GHz et 89 GHz.

Pourquoi la bande 23,6-24 GHz est-elle essentielle ?

Les 6 bandes de fréquences mentionnées (6, 10, 18, 24, 36 et 60 GHz) apparaissent essentielles pour déterminer les paramètres de l’atmosphère à partir d’un satellite au-dessus des océans. Un récepteur en orbite perçoit les émissions de différentes couches successives : de la plus éloignée à la plus proche, par l’océan ou le sol, les nuages puis l’atmosphère. Afin de caractériser chacun de ces milieux avec précision, il doit pouvoir retrancher les contributions de chacun des milieux traversés.

Si chaque bande a son importance dans la correction des mesures entreprises dans les autres bandes, la bande 23,6-24 GHz est sans doute plus importante que les autres puisque c’est l’unique bande utilisée et protégée à ce jour pour connaitre la concentration en vapeur d’eau dans l’atmosphère (c’est-à-dire dans une gamme de fréquence ou les émissions thermiques de la vapeur d’eau sont encore importantes). La vapeur d’eau, présente partout sur le globe, perturbe les mesures dans toutes les autres bandes. Une méconnaissance de la concentration en vapeur d’eau dans les volumes mesurés sous le satellite provoquera une interprétation des données erronée dans toutes les autres bandes Cette bande est donc la bande cœur de la radiométrie passive opérée par les satellites météorologiques

Les radiomètres et les brouillages ?

De très faibles niveaux de brouillage reçus par un capteur passif suffisent à dégrader la qualité de ses données. Le plus gros risque avec ce type de système est que le brouillage passe inaperçu et que les données erronées recueillies altèrent gravement les analyses et les conclusions. Dans la plupart des cas, les capteurs passifs ne font aucune différence entre émissions d'origine naturelle et artificielle. Les erreurs résultantes peuvent ainsi passer inaperçues et ne pas être corrigées. Ainsi, à l'heure actuelle, le maintien de l'intégrité des données repose uniquement sur la prévention du brouillage à travers des restrictions (limites) réglementaires prévus dans le Règlement des radiocommunications.

Ces limites ne peuvent être efficaces que si elles sont appliquées sur l’ensemble du globe. En effet, les évènements climatiques majeurs (cyclone, typhon, ouragan) et les prévisions météorologiques s’appuient sur un ensemble de données spatiales et temporelles. De plus, ces données sont aussi celles qui permettent de connaître le changement climatique global.

Une protection internationale des rayonnements naturels !

D’un point de vue international, il existe 21 bandes totalement protégées des émissions « artificielles » (entendue ici comme émises par l’être humain). Dans ces bandes, les émissions artificielles sont formellement prohibées. On retrouve principalement des bandes répertoriées pour la présence d’émission quantiques d’atomes ou de molécules tels que l’hydrogène (H) à 1400-1427 MHz, l’ammoniac (NH3) à 23,6-24 GHz, un certain nombre de molécules (SiO, C2H, HCN, etc.) dans 86-92 GHz, l’ozone (O3) entre 109,5-111,8 GHz, le monoxyde de carbone (CO) entre 114,25-116 GHz, la vapeur d’eau dans 182-185 GHz, mais aussi quelques raies du dioxygène (O2) dans 52,6-54,25 GHz. La restriction d’utilisation de ces bandes à des capteurs passifs ne suffit pas à les protéger efficacement car les rayonnements hors bande des émetteurs artificiels peuvent polluer les mesures des capteurs passifs.

Aussi, la Résolution 750 du Règlement des radiocommunications impose-t-elle des limites règlementaires d’émissions non désirées aux émetteurs artificiels pour garantir la pérennité des mesures passives. La position française et européenne pour la CMR-19 recommande que l’identification de la bande 26 GHz pour l’IMT (5G) s’accompagne de l’inclusion de limites d’émissions non désirées protégeant la bande passive 23,6-24 GHz.