Des chercheurs STEREO publient dans 'Nature Communications' une méthode de mesure de l'épaisseur de neige par satellite

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Publié le 15 octobre 2019

L’importance de la neige est souvent sous-estimée. Dans l'hémisphère Nord, près de 50 % des terres émergées sont recouvertes de neige en hiver. A l'échelle globale, plus d'un milliard de personnes dépendent de la fonte des neiges pour leur fourniture en eau potable. L'eau de fonte est également fondamentale pour l'agriculture et la production d'électricité. De plus, en raison de la forte réflexion de la lumière solaire, la neige limite l’énergie absorbée par le sol et donc le réchauffement.

Pour toutes ces raisons, il est essentiel de pouvoir disposer d'estimations quantitatives de la neige stockée dans chaque chaîne de montagnes sur Terre.

Pour estimer ces stocks de neige, on peut recourir à des interpolations de mesures locales ou à des prévisions météorologiques numériques. Cependant, les premières sont peu réalistes là où les mesures sont rares en raison de l'inaccessibilité et les secondes sont souvent inexactes du fait de la grande incertitude des chutes de neige en montagne.

Plusieurs techniques de télédétection sont bien entendu également utilisées pour tenter de déterminer l'épaisseur de neige mais aucune n'était jusqu’à présent satisfaisante à l'échelle globale. Les systèmes LiDAR aéroportés permettent les mesures les plus précises mais elles sont onéreuses et limitées à certaines zones de montagnes ciblées et dans des conditions météorologiques favorables. Des observations satellitaires par micro-ondes passives sont quant à elles utilisées dans des zones non montagneuses en raison de leur résolution spatiale grossière (environ 25 km). De plus, le signal sature au-delà de 0,8 m de profondeur de neige.

Dans le cadre de projets financés par le programme STEREO, SNOPOST et C-SNOW, des chercheurs belges ont pour la première fois réussi à cartographier l'épaisseur de neige de toutes les zones de montagne de l'hémisphère Nord à une résolution de 1 km² grâce à des données satellitaires radar de la mission Sentinel-1 du programme Copernicus. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans "Nature Communications" ce 11 octobre 2019.

Epaisseur moyenne de neige en mètres en février 2018 calculée sur base des données Sentinel-1pour l'hémisphère Nord

En collaboration avec une équipe internationale, les chercheurs ont étudié la hauteur de neige dans plus de 700 zones de montagne de l'hémisphère Nord de l'hiver 2016 à l'été 2018. Grâce à l’analyse de données récoltées in situ et de données satellitaires, ils ont développé un algorithme permettant d’extraire la profondeur de neige des mesures de rétrodiffusion du rayonnement micro-onde en bande C (5,4 GHz). Les valeurs d’épaisseur de neige obtenues par leur modèle ont été comparées avec des mesures ponctuelles sur environ 4000 sites.

Les chercheurs belges ont participé à la campagne SnowEx organisée par la NASA dont l'objectif est de comparer différentes technologies de détection de types de neige représentatifs du monde entier et de jeter les bases d'une future mission satellitaire dédiée à la neige.

Pour nous aider à comprendre la méthode utilisée, Hans Lievens explique : « Les ondes électromagnétiques sont constituées de champs électriques et magnétiques qui vibrent perpendiculairement à la direction dans laquelle elles se déplacent. Avec un filtre, vous pouvez vous assurer qu'ils ne vibrent que dans une direction, par exemple verticalement ou horizontalement. Le radar à bord du satellite transmet des ondes polarisées verticalement. Or, les cristaux de neige changent le plan dans lequel vibrent les ondes radar. Lorsque les ondes atteignent les particules de neige, elles sont en partie renvoyées en direction du satellite et leur polarisation est donc modifiée. Plus il y a de neige et plus on enregistre d’ondes polarisées horizontalement. Le rapport entre le signal réfléchi vertical et horizontal nous donne des informations sur l’épaisseur de la neige. "

En combinaison avec les systèmes actuels de suivi de la neige de l'Organisation météorologique mondiale (OMM), la méthode développée devrait permettre une surveillance en temps quasi réel de l’évolution des couvertures neigeuses au niveau global. Elle constitue donc un apport important à l’amélioration de la gestion de la distribution de l'eau, de l’estimation des risques d'inondation dans certaines zones ou de la détermination de la vulnérabilité des stocks de neige aux changements climatiques.