II - QUELS OUTILS SONT UTILISéS POUR L'OBSERVATION?
1- Les différentes plateformes
1.1- Satellites & Orbites
Les premiers satellites d’observation de la Terre ont été mis en orbite au début des années ’70. La surface de la Terre a dès lors pu être observée de manière continue et uniforme d’un point de vue totalement nouveau. De nos jours, un nombre croissant d’applications mettent à profit les avantages des images satellitaires, à savoir leurs caractères synoptique (elles offrent la possibilité d’enregistrer de très grandes zones en une fois), répétitif (un même satellite revient régulièrement au-dessus d’un même lieu) et homogène (les données sont toujours enregistrées de la même manière par un capteur).
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Lors du lancement, le satellite doit avoir une vitesse suffisante pour atteindre la bonne orbite autour de la Terre et pour la maintenir. Si sa vitesse diminue, il tournera sur une orbite en forme de spirale, se rapprochant toujours de plus en plus de la Terre jusqu'à finir par y retomber. Si la vitesse est trop élevée, c'est l'inverse qui se produit : le satellite s'éloigne en spirale de plus en plus de la Terre et échappe finalement à l'attraction gravitationnelle de la Terre. C'est cette technique qui est appliquée lors du lancement de sondes spatiales destinées à étudier d'autres planètes ou le Soleil. Source: How Do We Launch Things Into Space? - NASA Space Place |
La trajectoire des satellites au-dessus de la Terre est définie en fonction de ce que l'on veut observer et de la manière dont on veut l'observer. Cette trajectoire, appelée orbite, est déterminée selon plusieurs caractéristiques, comme la distance à la Terre, la période orbitale ou encore l’inclinaison (l'angle d'inclinaison de l'orbite par rapport au plan équatorial ou angle orbital).
Principales caractéristiques orbitales du satellite Landsat 7. Source: USGS (2019), Landsat 7 Data Users Handbook.
Selon ces caractéristiques, on distingue différents types d’orbite, décrites ci-après.
Orbite géostationnaire
Une orbite géostationnaire garantit que le satellite se trouve toujours au-dessus du même point de la Terre et semble donc être stationnaire. Le satellite doit pour cela tourner sur une orbite circulaire et à la même vitesse que la vitesse de rotation de la Terre, ce qui se fait dans le plan de l'équateur à une distance de 35 890 km environ de la Terre. L’orbite a donc un angle d’inclinaison de 0° et la trace au sol (ground track) du satellite suit la ligne de l’équateur. Le temps de révolution de ces satellites, ou période orbitale, est égal à 1 jour (23 heures, 56 minutes et 4 secondes).
Un satellite géostationnaire met donc autant de temps à effectuer une orbite autour de la Terre que la Terre met de temps à tourner autour de son axe. Par conséquent, sa position relative au-dessus de l'équateur reste toujours la même.
En raison de leur distance relativement importante, les satellites géostationnaires peuvent observer simultanément une très grande zone de la Terre.
Trois satellites de ce type, situés à même distance les uns des autres, suffisent pour observer la quasi-totalité de la Terre en continu. Les satellites météorologiques et de télécommunications sont généralement géostationnaires. Citons par exemple les satellites météorologiques Meteosat et le système européen de relais de données (European Data Relay System - EDRS -) qui utilise des satellites en orbite géostationnaire pour transmettre en continu des informations entre d'autres satellites et des stations au sol.
Orbite polaire
Un satellite sur une orbite polaire passe par les pôles nord et sud à chaque rotation et suit donc un méridien. Cela ne signifie pas que l'angle d'inclinaison doit être exactement de 90°. Dans la pratique, les orbites qui s'en écartent de 20° à 30° sont toujours dites polaires. Il s'agit d'une forme d'orbite basse (Low Earth Orbit - LEO -), c'est-à-dire une orbite qui se situe relativement près de la surface de la Terre (moins de 1000 km, jusqu’à 160 km).
Les satellites d’observation de la Terre sont en général placés sur des orbites quasi polaires. Pendant que le satellite suit sa trajectoire d'un pôle à l'autre, la Terre tourne d'ouest en est, de sorte qu'après un certain nombre de révolutions, le satellite peut séquentiellement observer la Terre entière.
La vidéo ci-dessous illustre bien la différence entre orbite géostationnaire (l'orbite des satellites météorologiques Meteosat Third Generation) et orbite polaire (orbite des satellites Metop Second Generation):
Source: Planned launches - An overview of satellites launching during the period 2022-2039 (Eumetsat)
Orbite héliosynchrone
Une orbite héliosynchrone est un cas particulier d'orbite polaire qui garantit le passage du satellite au-dessus d'une zone donnée toujours à la même heure solaire locale. Ces satellites ont donc toujours la même position locale par rapport au Soleil et ils observent la zone au même moment de la journée. Il est ainsi plus facile d'utiliser les images pour étudier les changements locaux au cours du temps. Il ne serait en effet pas utile de comparer des images prises dans des conditions d'illumination totalement différentes, par exemple un jour à midi et le lendemain à la tombée de la nuit.
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Les deux satellites européens d'observation de la Terre Sentinel-2 A et B se trouvent sur la même orbite héliosynchrone, quasi polaire, mais à 180° l'un de l'autre. L'altitude moyenne de l'orbite est de 786 km et l’angle orbital est de 98,62°. La durée de rotation est de 106,6 minutes et chaque point de la Terre est visité tous les 10 jours. Ce cycle complet comprend 143 orbites relatives sur la Terre. Source: Sentinel Online |
Les satellites utilisés pour l'observation de la Terre se trouvent donc généralement sur une orbite quasi polaire héliosynchrone. Pour les satellites radar, qui sont de gros consommateurs d'énergie, cette orbite héliosynchrone est également choisie pour assurer un éclairage quasi permanent des panneaux solaires.
Cette vidéo montre comment le satellite Landsat 8 orbite autour de la Terre 13 fois par jour à une altitude de 705 km pour collecter des données sur la couverture végétale. Avec une portée de 185 km, le satellite couvre entièrement le globe en 16 jours, ce qui représente un total de 233 orbites. Le défilement du temps commence lentement au début et s'accélère au fil des jours à la fin de la visualisation (source: Landsat Data Continuity Mission (LDCM) Orbits). Cliquez ici pour visualiser les orbites des 4 satellites Landsat 8, Landsat 9, Sentinel 2a et Sentinel 2b et comprendre comment ils travaillent ensemble pour construire une image complète de la Terre (source: Landsat with Sentinel - Global Coverage).