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AccueilNumérosTome XIII n°1La télédétection pour observer le...L’épopée ScaRaB

La télédétection pour observer les atmosphères sur Terre et au-delà

L’épopée ScaRaB

The ScaRaB epic
Michel Capderou

Résumés

À une époque où le changement climatique n’était envisagé que par quelques spécialistes, Robert Kandel décide de lancer, dès 1985, le LMD dans l’aventure spatiale pour l’étude du bilan radiatif de la Terre. L’instrument ScaRaB, imaginé, conçu et fabriqué par le LMD volera, avec des fortunes diverses, à bord de trois satellites, deux russes et un indien. Nous présentons ici l’instrument, sa mise en œuvre dans le contexte de l’époque et les résultats qu’il a fournis.

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Notes de l’auteur

Avec l’aide de Jean-Philippe Duvel, Patrick Raberanto, Olivier Chomette, Francis Sirou

Texte intégral

1Le 10 mars 1994, c’est un grand jour de fête à l’École polytechnique, sur le plateau de Palaiseau. Le bicentenaire de la création de l’École !

Pour célébrer cette date historique, en ce début d’après-midi, le président de la République, François Mitterrand, fait une allocution dans le grand amphithéâtre Poincaré.

L’amphi est bien entendu bondé : personnalités politiques, état-major de l’École au complet, élèves, enseignants, chercheurs, personnels de l’établissement. La décoration est simple : un unique objet. Un satellite en vol.

2La maquette du satellite Meteor, presque grandeur nature, est en suspens au centre de la salle, soutenue par des fils invisibles, surplombant la table présidentielle (voir Figure 1).

Il a fière allure, ce satellite, toutes ailes déployées (ses panneaux solaires). Du corps central du satellite, plutôt blanchâtre, se détache clairement un cylindre brillant, doré : l’instrument ScaRaB.

Deux cents ans de recherche de pointe à Polytechnique résumés ici par ce satellite ! Et le satellite mis en valeur sur un seul instrument, notre ScaRaB !

C’en est trop d’honneur, ce 10 mars 1994, pour notre équipe ScaRaB !

3Nous restons modestes, bien sûr, car nous savons que cette gloire est le résultat d’heureuses circonstances (un alignement de planètes, comme on dira plus tard). Le satellite Meteor-3-07 a été lancé avec succès, du nord de la Russie, quelques semaines auparavant. Il a à son bord plusieurs instruments, dont le nôtre, c’est ce qui est important !

4Le spatial est porteur, en matière d’image. Le comité organisateur de l’X a noté la contribution d’un de ses laboratoires et a choisi de la mettre en avant pour la fête des 200 ans. Et il n’y a eu aucun lobbying de la part du LMD !

Que ce choix ait provoqué des remous dans d’autres laboratoires, c’est possible. Ce n’est pas le sujet de ce propos. Le sujet, c’est ScaRaB, et nous allons en raconter l’histoire.

Une idée de Robert Kandel

5Robert S. Kandel (New York, 1937 - Paris, 2022), après son B. A. en astrophysique à Harvard, est parti, avec une bourse de cette université, pour un stage à l’Observatoire de Meudon qui s’est vite transformé en thèse sous la direction de Jean-Claude Pecker.

6Après avoir scruté le ciel depuis la Terre, Robert, percevant l’énorme potentiel des observations satellitaires naissantes, décide de regarder la Terre depuis le ciel. Il entre au CNRS comme chercheur au SA (service d’astronomie, composante historique du LATMOS) puis, à partir de 1985, au LMD où il pourra mieux valoriser son nouvel axe de recherche : l’étude du bilan radiatif de la Terre.

Figure 1 : Le président de la République François Mitterrand et la maquette du satellite

Figure 1 : Le président de la République François Mitterrand et la maquette du satellite

Le président de la République François Mitterrand, peu avant son discours. Il est entouré par le directeur général de l'École polytechnique et le président du conseil d'administration. Il est surplombé par la maquette du satellite Meteor portant l'instrument ScaRaB. Grand amphithéâtre Poincaré, École polytechnique, le 10 mars 1994.

© Collections École polytechnique (Palaiseau)

7Le bilan radiatif de la Terre représente le flux net de rayonnement, c’est-à-dire la différence entre deux quantités, le rayonnement incident absorbé et le rayonnement sortant émis.

8Le rayonnement solaire incident (principalement dans les longueurs d’onde de l’ultraviolet, du visible et de l’infrarouge proche, de 0,3 µm à 2,5 µm, avec un maximum à 0,5 µm) est absorbé dans l’atmosphère et à la surface de la Terre. Ainsi chauffée, la surface terrestre et son enveloppe atmosphérique émettent un rayonnement, dans les longueurs d’onde de l’infrarouge thermique (avec un maximum autour de 10 µm) dont une partie s’échappe vers l’espace.

9Si on fait la moyenne de ce bilan sur plusieurs années, il devrait être nul… à moins que la planète ne se réchauffe, auquel cas le bilan sera positif (il serait négatif en cas de refroidissement).

10Notons que le bilan sur une année n’est pas forcément nul : les années d’El Niño, il est positif et les années La Niña, il est négatif. Le phénomène El Niño (ou ENSO, El Niño Southern Oscillation), compris par les climatologues à partir de 1980, est un réchauffement des eaux à l’est du Pacifique équatorial, manifestant une anomalie de température de quelques degrés qui peut durer un ou deux ans. Le phénomène La Niña (ou anti-Niño) est l’effet contraire avec un refroidissement à l’est du pacifique équatorial.

11Pour mettre en évidence le réchauffement climatique sur une longue durée, disons une dizaine ou plusieurs dizaines d’années, il faut une mesure précise de ce bilan radiatif, qui n’est possible que depuis l’espace. La précision requise pour mesurer cette évolution globale est de l’ordre du Watt par mètre carré (1 W m-2) et elle est loin d’être acquise. Mais cette mesure de bilan radiatif, plus instantanée et plus locale (par exemple une moyenne mensuelle sur une région de 200 km de côté) est aussi d’un grand intérêt : les interactions entre le bilan radiatif et la nébulosité jouent un rôle critique dans le climat. L’effet des nuages dans les transferts radiatifs dépend en particulier de leur altitude, leur couverture et leur localisation.

12Les premières mesures de transfert radiatif ont été faites par le radiomètre ERB (Earth Radiation Budget) à bord de Nimbus-7, satellite météorologique conjoint NASA-NOAA, lancé en 1978. Un nouveau radiomètre ERB avec une meilleure résolution spatiale a ensuite été installé sur un satellite dédié ERBS (Earth Radiation Budget Satellite), sur une orbite non-héliosynchrone, lancé en 1984 et sur deux satellites, NOAA-9 et NOAA-10, lancées sur une orbite héliosynchrone, en 1984 et 1986.

13Robert Kandel, qui était en contact permanent avec la NASA, savait que les Américains préparaient CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System) un nouveau radiomètre qui devait voler à bord du satellite japonais TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) et des deux plates-formes de la NASA en orbite héliosynchrone, EOS-AM et EOS-PM (Earth Observation Satellite – AM, du matin, sera renommé plus tard Terra et EOS-PM, de l’après-midi, sera renommé Aqua).

14Il a donc fait le raisonnement suivant, en 1986 : « ERBS et les NOAA-9 et -10 vont arrêter leurs mesures vers 1990, le satellite TRMM et les deux EOS ne seront pas lancés et opérationnels avant 1997 ou 2000. Voilà qui laisse un trou de sept à dix ans dans les mesures. Le LMD a une vocation spatiale, engouffrons-nous dans la brèche ! Construisons un radiomètre qui permette d’avoir une continuité dans les mesures du bilan radiatif. Ce n’est pas le moment de négliger les phénomènes qui régissent le changement climatique ! ».

15Évidemment, construire un radiomètre et l’envoyer dans l’espace, c’est plus facile à dire qu’à faire !

16Mais Robert Kandel a une idée. Il est au courant de la collaboration spatiale franco-soviétique initiée par Jacques Blamont dès 1964. De plus, il est très clair que l’URSS, bien au point pour ses fusées et le lancement des satellites, est en demande pour les instruments scientifiques originaux et sophistiqués, domaine où elle est à la traîne à cette époque (cette faiblesse technologique, on le comprendra quelques années après, est un petit indice, parmi tant d’autres, de la dislocation prochaine de l’empire soviétique).

17Robert Kandel obtient ainsi l’assurance, via le CNES, que le radiomètre « made in LMD » sera installé sur un satellite météorologique soviétique, Meteor-3-07, en orbite non-héliosynchrone, à une altitude assez élevée de 1200 km.

18Pour l’instrument, le nom est choisi : ScaRaB, avec son alternance de majuscules et de minuscules, Scanner for Radiation Budget, ou pour satisfaire également les hébergeurs russes, Scanner Radiatsionnogo Balansa, qui se passe de traduction.

19Le radiomètre sera construit au LMD, avec la collaboration de l’équipe de Leonid Pakhomov et Vladimir Adasko (Planeta ; Moscou et Istra, URSS) et de Ehrhard Raschke (GKSS ; Geesthacht, Allemagne-RFA).

20En 1989, l’équipe « Bilan radiatif » est créée au LMD, autour de Robert Kandel, avec Jean-Philippe Duvel, Michel Viollier, Patrick Raberanto, Claudia Stubenrauch et moi-même. L’équipe technique est dirigée par Jean-Louis Monge, pour le design de l’instrument, et par Olivier Bousquet, à l’atelier de fabrication.

21Les caractéristiques du radiomètre sont décrites dans l’encart « Radiomètre ScaRaB ».

L’instrument à bord de deux satellites russes

22Lorsqu’on vit de l’intérieur cette aventure, on perçoit mieux toutes les difficultés à la réalisation d’un tel prototype. Il doit représenter de l’innovation, de l’avancée scientifique, mais comme on ne peut pas réparer dans l’espace, il doit s’appuyer sur des technologies éprouvées et les plus simples possibles.

23Donnons un petit exemple de difficulté rencontrée, comme la liaison qu’il faut établir entre la partie mobile de l’instrument à son socle fixe.

24L’instrument est de forme cylindrique et la partie mobile permet de « scanner », de balayer, la surface terrestre pour réaliser l’observation. La durée du scan est de 6 secondes et donc l’opération se répète 14 400 fois par jour. Vous voyez sur une année le nombre de mouvements !

25On utilise pour cela un collecteur tournant développé chez Mecanex, en Suisse. Il équipera tous les modèles de vol (notés MV : MV1, MV2, puis celui pour Megha-Tropiques, MV3). Ce sont des cils reposant sur des bagues rotatives en or, assurant ainsi un contact optimum. Des tests sous vide ont été réalisés au LMD, avec une mesure de conductivité en permanence. La durée de vie était nominale, mais sans le moteur pas à pas relié au collecteur. Ce sera le talon d’Achille de MV1.

26Il y a bien d’autres problèmes à résoudre : la réalisation de corps noirs et de lampes pour l’étalonnage, la mesure de la transmission des filtres, la réalisation des miroirs et la connaissance de leur qualité optique, la lubrification des pièces tournantes sans utiliser de graisse (qui se dépose sur les miroirs quand l’instrument est dans le vide). Pour n’en citer que quelques-uns !

27Et n’oublions pas la question des traitements primaires (étalonnage et géolocalisation des mesures) et secondaires (extrapolation angulaire et temporelle de la mesure) du signal reçu.

28Sans parler des problèmes de géopolitique. Commencée avec l’Union Soviétique, cette collaboration se fait à ce moment-là avec la Russie. Nous voyons aussi le désarroi de Leonid Pakhomov, très brillant physicien, et de ses collègues russes qui s’efforcent de travailler au mieux dans une ambiance de débâcle (chaque semaine, un de leur collaborateur compatriote partait à l’étranger).

29Finalement, réalisé à peu près dans les délais, le radiomètre ScaRaB est envoyé en Russie où il est assemblé sur la plate-forme Meteor-3-07 qui est amenée à Plessetsk, pour le lancement. Le cosmodrome de Plessetsk se trouve dans la région d'Arkhangelsk, tout au nord de la Russie.

Petit retard pour l’envol, car il y a des problèmes de douane avec la fusée ukrainienne Tsiklon.

30Le 25 janvier 1994, à 3h25 (0h25 TU), Meteor-3-07 est mis en orbite. Mis sous tension, ScaRaB reste en attente pour permettre le dégazage des divers éléments. Puis, le 24 février, il est opérationnel et les premières données sont envoyées et reçues dans deux stations russes, Obninsk et Medveji Ozero, pas loin de Moscou. Elles sont ensuite transférées au CNES, à Toulouse.

31Notons qu’à l’origine du projet il était prévu de recevoir aussi les télémesures en France, à Lannion.

32Mais la fréquence de 466,5 MHz utilisée par les satellites Meteor-3 était encombrée en France, utilisée par un « pager » de France Télécom, ancêtre du téléphone mobile.

33L’instrument MV1 et les télémesures ont fonctionné correctement jusqu’au 5 mars 1995. Ce jour-là, arrêt brusque de l’instrument ScaRaB. Le collecteur tournant s’arrête, court-circuité par la poussière d'or.

Après ce problème sur MV1, la modification a été effectuée sur MV2, sous contrôle de Veritas, et tous les tests ont montré un fonctionnement nominal.

Même si les résultats obtenus ont été intéressants, on est déçu par un fonctionnement si bref. Rappelons qu’à l’époque, on parlait de « durée 3/5 », c’est-à-dire : moins de 3 ans, c’est un échec, plus de 5 ans c’est tout bonus.

34Pour espérer combler les « trous » de mesures entre 1990 et 2000, il reste l’espoir du MV2, le second instrument ScaRaB. Dans le cadre de la coopération devenue franco-russe, ScaRab est placé sur la plate-forme Resurs-O1-4. Ce satellite est lancé le 10 juillet 1998 de Baïkonour, au Kazakhstan, célèbre base de lancement anciennement soviétique. Il est héliosynchrone et son altitude, plus basse que celle de Meteor-3-07, est de 814 km.

35Au mois d’avril 1999, le système de communication principal du satellite tombe en panne. Il ne transmet plus rien. Écran noir des données. L'arrêt de l'émetteur est dû à une défaillance du Klystron, tube de puissance de l'émetteur, provenant d’un vieux stock de l'URSS. On reçoit pendant plusieurs années un signal secondaire de données techniques qui signale simplement le bon fonctionnement de ScaRaB. Ce n’est même pas une consolation !

36Une collaboration avec l’ESA est envisagée pour équiper, avec ScaRaB, le futur satellite Envisat mais elle est abandonnée par le CNES pour des raisons budgétaires et, le 1er mars 2002, Envisat s’envole sans notre radiomètre.

Ainsi se termine l’histoire initiale de ScaRaB.

… et d’un satellite franco-indien

37L’équipe « bilan radiatif », impliquée dans le ScaRaB envoyé dans les satellites russes, a achevé son travail et chaque membre repart avec d’autres objectifs.

Mais il reste un troisième modèle, MV3…

38Lors d’un colloque de prospective du CNES, en 1993, Michel Desbois avait lancé l’idée d’un satellite à l’orbite originale pour l’étude spécifique de l’atmosphère de la zone intertropicale. L’idée fit son chemin… pour donner le satellite français Tropiques renommé par la suite Megha-Tropiques quand il devint franco-indien par suite de la collaboration avec l’ISRO (Indian Space Research Organisation).

39Deux instruments dans le domaine des micro-ondes étaient prévus dès le début du projet. Pourquoi ne pas ajouter un radiomètre pour le visible et l’infrarouge ? Cela pourrait offrir une belle synergie.

Et voilà notre ScaRaB prêt pour un troisième vol.

40Une nouvelle équipe ScaRaB se forme autour de Michel Desbois, PI de la mission jusqu’à sa retraite en 2007, avec Rémy Roca qui lui succédera comme PI, Michel Viollier, Olivier Chomette, Patrick Raberato et moi-même (uniquement pour les questions orbitales). L’équipe instrumentale, dirigée par Francis Sirou, comprend Olivier Bousquet, Bernard Brioit, Alain Pellegrin, Bernard Gillet et Gilles Bannerot.

Le CNES réalise les deux instruments MADRAS (avec l’ISRO) et SAPHIR et reprend l’instrument MV3 de ScaRaB.

41Après les retards habituels inhérents aux missions spatiales, Megha-Tropiques est lancé le 12 octobre 2011 par la fusée indienne PSLV depuis le centre spatial Satish-Dhawan sur l’île de Sriharikota (Tamil-Nadu, Inde).

42À la différence de celles en collaboration russe, cette mission est une grande réussite. Certes l’instrument MADRAS, pilier de la mission, à l’origine, a cessé de fonctionner en janvier 2013. Mais les deux autres, SAPHIR et ScaRaB ont transmis leurs données pendant plus de dix années, durant lesquelles elles ont été utilisées par les équipes internationales de recherche et ont été assimilées dans les modèles météorologiques et climatiques.

43En fin d’année 2022, la mission était déclarée terminée. Le satellite était désorbité et, le 7 mars 2023, notre vaillant ScaRaB, fixé à notre glorieux Megha-Tropiques, plongeait dans l’Océan Pacifique.

Le radiomètre ScaRaB

Comment mesurer le bilan radiatif ?

On cherche à déterminer d’une part le rayonnement solaire réfléchi, d’autre part le rayonnement thermique infrarouge (IR) émis par la planète et son atmosphère. On peut ainsi établir le bilan radiatif, la différence entre les apports en énergie de la planète (le rayonnement solaire absorbé) et les pertes (le rayonnement infrarouge émis).

Le traitement primaire.

Le traitement primaire, spécifique à ScaRaB, géolocalise d’abord les données numériques transmises pour chaque champ de vue étroit (pixel) observé au cours du balayage sur la surface terrestre. Ensuite, il les convertit en valeur de luminances exprimées en unités physiques, Watt par mètre carré par stéradian (W m -2 sr -1). La luminance est la partie du flux d’énergie radiative contenue à l’intérieur d’un cône étroit dirigé vers le satellite.

Cette conversion est relativement simple pour le rayonnement thermique IR « ondes longues » (supérieures à 4 µm), pour lequel l’instrument est étalonné en vol par des visées de petits corps noirs embarqués dont la température est très soigneusement contrôlée.

Par contre, pour la mesure du rayonnement solaire « ondes courtes » réfléchi par la Terre et son atmosphère, la stabilité des lampes d’étalonnage embarquées est plus difficile à garantir, compliquant la conversion. Néanmoins, le traitement primaire qui a été conçu et validé par le groupe scientifique et technique coordonné par le LMD donne des résultats de qualité comparable aux meilleures mesures antérieures, marquant ainsi l’entrée de l’Europe sur une scène où jusqu’ici seule la NASA était présente.

Le traitement secondaire.

Le traitement secondaire doit calculer, à partir de la série de mesures instantanées de luminances étalonnées, les flux de rayonnement réfléchi ou émis dans toutes les directions (donc en Watts par mètre carré, W m-2). Cela nécessite des corrections angulaires prenant en compte l’anisotropie des champs de rayonnement émis et réfléchi par la planète.

Il faut en même temps caractériser la couverture nuageuse de chaque pixel (champ de vue instantané du radiomètre), d’une part en vue de la correction angulaire, d’autre part en vue de l’analyse du forçage radiatif de la nébulosité qui nécessite la discrimination des régions sans nuage.

Le traitement secondaire doit ensuite calculer les flux moyens sur différentes échelles spatiales et temporelles. Afin de maintenir la continuité avec les expériences passées, le LMD a adapté pour ScaRaB les algorithmes utilisés pour le traitement secondaire ERBE développé par la NASA.

(d’après un texte de Robert Kandel et Michel Viollier, 1995)

Le radiomètre ScaRaB

44L’instrument ScaRaB mesure le rayonnement dans quatre canaux, voir Tableau 1.

Tableau 1 : Caractéristiques du radiomètre ScaRaB

Canal

Domaine spectral

Objectif

1

Visible : 0,55 – 0,65 µm

Bonne détection des nuages, le jour

2

Solaire : 0,2 – 4 µm

Déterminer le rayonnement solaire réfléchi (le jour)

3

Total : 0,2 – 50 µm

Solaire + IR thermique

- De nuit, ce canal donne directement le rayonnement IR thermique (4 – 50 µm)

- De jour, une soustraction Canal 3 – Canal 2 est nécessaire pour obtenir le rayonnement IR thermique

4

Fenêtre IR : 10 – 12 µm

Bonne détection des nuages, nuit et jour

La fauchée de l’instrument

45On parle de fauchée orthogonale lorsque le balayage d’un instrument se fait perpendiculairement à la trace, l’axe de rotation des optiques des radiomètres étant parallèle au vecteur vitesse de déplacement du satellite. C’est un mode de fauchée très classique.

46L’angle de fauchée f d’un instrument est l’angle entre la visée au nadir et la visée maximale sur le côté (à droite ou à gauche) dans le cas d’une fauchée orthogonale. Le champ de vue (FOV, field of view), égal à 2 f, correspond à l'angle de vue de l'optique du radiomètre pour un scanner comme ScaRaB, mais correspond aussi au champ de vue très large de certains radiomètres fixes (Wide FOV et Medium FOV de ERB et ERBE).

Tableau 2 : Caractéristiques orbitales des deux satellites russes porteurs de ScaRaB

Meteor-3-07

Resurs-O1-4

Altitude

1195 km

814 km

Inclinaison

82.56°

98.69°

Période

109,4 min

101,3 min

Décalage équatorial

3060 km

2819 km

Fauchée f de l’instrument

48.91°

48.91°

Largeur de la fauchée

3246 km

2068 km

Fraction de recouvrement équatorial

1,06

0,75

47Les caractéristiques orbitales de Meteor-3-07 étant connues (et imposées), l’angle de fauchée a été calculé pour que, lors de deux passages successifs à l’équateur, les fauchées se superposent très légèrement sur le bord. On garantit ainsi une couverture complète de la Terre deux fois par jour.

48Lorsque ScaRaB a été placé sur Resurs-O1-4, qui était en orbite plus basse, il n’était pas question de changer l’angle de fauchée (il aurait fallu l’agrandir). Par conséquent, la fauchée au sol était plus petite et la fraction de recouvrement équatorial inférieure à 1. Ce qui n’est pas dramatique : un point qui n’est pas vu un jour le sera le lendemain. Voir Tableau 2 et Figure 2.

Figure 2a : Trace de l'orbite et de la fauchée de l'instrument ScaRaB durant 4 révolutions (soit environ 7 heures) - À bord de Meteor-3-07

Figure 2a : Trace de l'orbite et de la fauchée de l'instrument ScaRaB durant 4 révolutions (soit environ 7 heures) - À bord de Meteor-3-07

(a) À bord de Meteor-3-07. Note : par souci de clarté, la fauchée est représentée avec un intervalle de 1 minute au lieu de 6 secondes dans la réalité.

© Document : LMD, Logiciel Ixion, M.C

Figure 2b : Trace de l'orbite et de la fauchée de l'instrument ScaRaB durant 4 révolutions (soit environ 7 heures) - À bord de Resurs-O1-4

Figure 2b : Trace de l'orbite et de la fauchée de l'instrument ScaRaB durant 4 révolutions (soit environ 7 heures) - À bord de Resurs-O1-4

(b) À bord de Resurs-O1-4. Note : par souci de clarté, la fauchée est représentée avec un intervalle de 1 minute au lieu de 6 secondes dans la réalité.

© Document : LMD, Logiciel Ixion, M.C

ScaRaB en orbite tropicale

49Après deux missions russes en orbite quasi polaire, le radiomètre a pris place sur une orbite totalement différente, celle de Megha-Tropiques.

50Initialement, le satellite Tropiques était prévu avec une inclinaison de 10° pour observer les zones tropicales et équatoriale avec une fréquence élevée, et très novatrice. L’accord de coopération avec l’Inde a donné aux scientifiques indiens un poids décisionnel : ils voulaient une inclinaison de 30° pour bien observer l’Himalaya. Ce changement d’inclinaison enlevait son originalité à l’orbite. Après une année de discussion, un consensus s’établit sur la moyenne arithmétique d’une inclinaison à 20°.

51Avec cette valeur définitive, la trace du satellite varie donc entre les latitudes 20°N et 20°S. Grâce à sa fauchée assez large, l’instrument ScaRaB observe les lieux entre 30°N et 30°S, l’Himalaya est sauvée.

52Les deux instruments CERES (un mobile, l’autre fixe, à bord du satellite Terra de la NASA) et l’instrument ScaRaB étant en orbite en même temps avec des points de croisement, une coopération a été mise en place pour comparer les mesures de luminance faites par les deux instruments.

53Lorsque les traces des satellites Terra et Megha-Tropiques se superposent simultanément, l’instrument CERES qui est mobile, à bord de Terra, pourra s’orienter de sorte que les fauchées des deux instruments, CERES et ScaRaB, se superposent sur une même région (une centaine de km de côté) de manière parallèle et dans un même intervalle de temps (une dizaine de minutes).

54On s’assure ainsi que les scènes sont observées par les deux instruments avec des angles de vue très proches et sous les mêmes conditions d’éclairement solaire ce qui permet de comparer les luminances mesurées.

55La NASA demande au CNES de lui fournir les éléments idoines à une telle manœuvre : les instants de survols simultanés et les angles de déviation pour l’instrument mobile. Le CNES se tourne vers le LMD.

56Le logiciel Ixion est adapté à ces calculs. Nous l’utilisons, Olivier Chomette et moi-même, pour transmettre les informations avec une avance d’une semaine. La première campagne, en avril-mai 2012, dure six semaines. Après réception des données, on se réjouit que les « rendez-vous » prévus l’aient été avec une précision d’une seconde pour le temps et de 0.2°pour l’angle de déviation.

Cette campagne permet d’inter-étalonner les instruments ScaRaB et CERES.

57Les résultats étant très satisfaisants, cette coopération est reconduite pour deux campagnes identiques, en avril-mai 2015 et avril-mai 2016. Elles sont menées, toutes les deux, avec succès et la même qualité de précision.

Les résultats scientifiques obtenus par ScaRaB

58Pour les deux missions sur des satellites russes, les résultats sont intéressants mais décevants pour la durée. Les mesures ont permis, comme le souhaitait Robert Kandel, d’intégrer des « points » de mesure dans le calcul du bilan radiatif vu sur la décennie 1990-2000.

59À bord de Megha-Tropiques, ScaRaB a fourni onze années de résultats utilisés par les centres de recherche sur l’atmosphère et le climat, qu’ils soient utilisés seuls (voir Figure 3) ou en synergie avec les résultats de SAPHIR.

Figure 3 : Résultats obtenus par le radiomètre ScaRaB, le 2 juillet 2018, sur une révolution débutant à 09:22 TU

Figure 3 : Résultats obtenus par le radiomètre ScaRaB, le 2 juillet 2018, sur une révolution débutant à 09:22 TU

(a) et (b) : mesures brutes de rayonnement ; (c) et (d) : flux calculés après utilisation de modèles de réflectance bi-directionnelle ; (e) et (f) : valeur des angles zénithaux, calcul purement géométrique.

© Document : LMD, Olivier Chomette

60Les données des instruments de Megha-Tropiques étaient, de plus, utilisées par Météo-France pour être assimilées dans leurs modèles de prévision. Leur utilisation était particulièrement déterminante pour l’île de la Réunion.

Ixion, logiciel d’orbitographie et d’échantillonnage

61Lorsque les caractéristiques orbitales d’une mission spatiale sont bien définies, le lancement puis la mise en orbite du satellite sont pris en main par le CNES (ou toute autre agence spatiale dans d’autres pays) qui assure ensuite un suivi parfait du satellite, avec les données sur sa position exacte et son maintien à poste.

Mais il faut pour cela que le projet de mission soit bien « ficelé », c’est-à-dire complètement achevé.

62Avec une mission imaginée par des scientifiques, lorsqu’elle ne repose que sur quelques pages crayonnées sur un coin de table, on est loin d’être précis sur l’aspect de l’orbite. Et on ne peut pas compter sur une agence spatiale pour faire une pré-étude. Ils ont d’autres choses à faire et vous répondent poliment : « revenez quand ce sera plus clair ». On ne peut que leur donner raison.

63L’originalité de la mission Tropiques, initiée par Michel Desbois et le LMD, reposait sur une orbite faiblement inclinée sur l’équateur, entre 5° et 15°, et une altitude assez haute comprise entre 700 km et 1000 km. C’est pour pouvoir réaliser une pré-étude de cette mission que j’ai écrit et développé le logiciel Ixion, à partir de 1994.

64Ixion est basé sur le traitement analytique des équations du mouvement et sur la méthode des perturbations de Lagrange. Il donne la position du satellite avec une précision (quelques hectomètres) qui suffit pour nos investigations orbitales et détermine avec précision l’échantillonnage (pour un lieu donné : quand passe le satellite et sous quels angles ?)

Ixion a ainsi permis de déterminer l’orbite choisie finalement pour Megha-Tropiques.

65L’aspect graphique étant largement développé, le logiciel a permis de nombreuses applications pédagogiques (cours, livres… )

66Ixion a été utilisé depuis pour de nombreux projets (terrestres, martiens) émanant des laboratoires de l’IPSL. Il permet également, avec les données de l’organisme américain NORAD, de travailler (position, échantillonnage) sur tout satellite orbitant autour de la Terre.

67En 2006, Karim Ramage a réalisé une interface Web par laquelle Ixion est consulté des milliers de fois par mois.

68Depuis 2015, Olivier Chomette développe les outils qui permettent à Ixion d’être opérationnel pour diverses missions, comme par exemple MAGIC (Monitoring of Atmospheric composition and Greenhouse gases through multi-Instruments Campaigns). Dans cette campagne (impliquant de nombreux organismes : CNRS, CNES, Météo-France, etc.), l’utilisation du logiciel permet aux scientifiques de faire leurs mesures « terrain » (avions, ballons, au sol) et de les comparer avec les mesures d’instruments à bord de satellites dont le moment de passage a été préalablement calculé par Ixion.

69Depuis AMMA, en 2006, Ixion a été utilisé dans de nombreuses campagnes internationales de mesures, les dernières étant RALI-THINICE au Svalbard en 2022 et MAESTRO au Cap-Vert en 2024.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : Le président de la République François Mitterrand et la maquette du satellite
Légende Le président de la République François Mitterrand, peu avant son discours. Il est entouré par le directeur général de l'École polytechnique et le président du conseil d'administration. Il est surplombé par la maquette du satellite Meteor portant l'instrument ScaRaB. Grand amphithéâtre Poincaré, École polytechnique, le 10 mars 1994.
Crédits © Collections École polytechnique (Palaiseau)
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/11164/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 263k
Titre Figure 2a : Trace de l'orbite et de la fauchée de l'instrument ScaRaB durant 4 révolutions (soit environ 7 heures) - À bord de Meteor-3-07
Légende (a) À bord de Meteor-3-07. Note : par souci de clarté, la fauchée est représentée avec un intervalle de 1 minute au lieu de 6 secondes dans la réalité.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/11164/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 512k
Titre Figure 2b : Trace de l'orbite et de la fauchée de l'instrument ScaRaB durant 4 révolutions (soit environ 7 heures) - À bord de Resurs-O1-4
Légende (b) À bord de Resurs-O1-4. Note : par souci de clarté, la fauchée est représentée avec un intervalle de 1 minute au lieu de 6 secondes dans la réalité.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/11164/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 487k
Titre Figure 3 : Résultats obtenus par le radiomètre ScaRaB, le 2 juillet 2018, sur une révolution débutant à 09:22 TU
Légende (a) et (b) : mesures brutes de rayonnement ; (c) et (d) : flux calculés après utilisation de modèles de réflectance bi-directionnelle ; (e) et (f) : valeur des angles zénithaux, calcul purement géométrique.
Crédits © Document : LMD, Olivier Chomette
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/11164/img-4.png
Fichier image/png, 1,3M
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Pour citer cet article

Référence électronique

Michel Capderou, « L’épopée ScaRaB »Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 04 février 2025, consulté le 12 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/11164 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dgw

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Auteur

Michel Capderou

Laboratoire de météorologie dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, École polytechnique-IP Paris, Sorbonne université) - Chercheur au LMD (physique de l’atmosphère, mécanique spatiale), maître de conférences en physique à Sorbonne université (retraité).

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