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La Terre et les planètes sous les feux des lidars

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

La Terre et les planètes sous les feux des lidars

Le premier colloque international « Space-based Lidar Remote Sensing Techniques and Emerging Technologies » s’est tenu à Paris (à l’UPMC et au Cnes) et à Guyancourt (à l’UVSQ) en septembre 2014. Ce colloque destiné à des scientifiques, ingénieurs et techniciens de différentes nationalités, issus du monde académique ou d’agences gouvernementales, et du milieu industriel avait pour objectif de créer un cadre de rencontres, de discussions et de partage sur les missions lidar en cours et futures et sur les technologies émergentes. Retour sur l’événement par Jacques Pelon, directeur de recherche CNRS au laboratoire « Atmosphères, milieux, observations spatiales » (Latmos, CNRS/UPMC/UVSQ).

 

Un peu d’histoire…

Tout a commencé dans les années 1960, alors que le service d'aéronomie (actuel Latmos) et l'Institut de géophysique appliquée de Moscou s’engageaient dans une collaboration scientifique de grande envergure pour étudier l’atmosphère terrestre. Le premier lidar mis au point par le Cnes et le Service d’Aéronomie en 1986 dans le cadre de la coopération franco-soviétique, du nom de Alissa (Atmosphère par LIdar Sur Saliout), devait survoler la Terre en 1991. La conjoncture géopolitique de l’époque ayant très nettement ralenti les opérations, le 23 avril 1996, le module Priroda était lancé de la base de Baïkonour et amarré à la station Mir. Mais c’est le lidar américain Lite (Lidar In-space Technology Experiment), de NASA/LaRC qui lui volait la vedette en fonctionnant pendant une vingtaine d'heures à bord de la navette Discovery en septembre 1994.

 

Ces premiers lidars spatiaux purent ainsi prouver leur capacité à détecter différents types de situations nuageuses difficiles à identifier à partir de l'imagerie satellitaire traditionnelle. Ils furent suivis par la mission Ice-Sat de la NASA en 2003 (arrêtée en 2010), qui comprenait deux volets : altimétrie des surfaces continentales et des glaces polaires, et observation de l’atmosphère. Lancée en 2006, la mission CALIPSO développée en collaboration entre la NASA et le Cnes, permet actuellement de disposer d’observations régulières de l’atmosphère terrestre depuis la constellation de satellites A-Train, pour l’étude des propriétés des aérosols et des nuages et de leur rôle climatique. Le Latmos et le LMD sont les deux laboratoires principalement impliqués dans cette mission.

 

Composition actuelle de la constellation A-Train au centre de laquelle se trouve le satellite CALIPSO. D. R.

 

Les scientifiques fondent beaucoup d’espoirs dans la mission ADM-AEOLUS de l’Agence spatiale européenne (ESA) qui permettra de réaliser des mesures de vent en air clair utilisant le concept de « Double Edge Technique » développé au Service d’aéronomie et ayant fait l’objet d’un brevet. Les équipes de l’Institut Pierre-Simon Laplace sont par ailleurs également très impliquées dans de futures missions en développement comme Earthcare (nuages et aérosols terrestres, lancement prévu en 2017), Merlin (mission développée en collaboration entre le Cnes et le DLR pour la mesure des sources et puits de méthane, lancement prévu en 2019), Bepi-Colombo (lidar pour l’altimétrie de la surface, lancement prévu en 2016, et observations en 2024), ou à l’étude comme Marbll (vent sur Mars), Mescal (nuages et aérosols) et LIVE (vapeur d’eau).

 

Les objectifs scientifiques

Les aérosols et les nuages constituent une cible d’étude spécifique dans le contexte actuel d’évolution du climat de la Terre. Les instruments d’observation passifs déterminent les propriétés optiques des aérosols et des nuages intégrés sur une colonne d’air à partir de la mesure du flux solaire diffusé ou de l’émission infrarouge tellurique. Les lidars sont quant à eux des systèmes actifs de télédétection constitués d'une source laser permettant de mesurer avec précision la hauteur et les propriétés radiatives des nuages et des couches d’aérosols (ou bien le vent par analyse Doppler).

 

Télescope du lidar Alissa. © CNRS

 

Représentation de la plateforme CALIPSO. D. R.

 

Les missions Alissa, LITE, Ice-Sat ou CALIPSO, qui utilisent un lidar à rétrodiffusion, ont pour principal objectif la description de la structure verticale des nuages et, en particulier, la détermination directe de l’altitude du sommet des nuages, et de l’épaisseur des nuages semi-transparents et des couches d’aérosols. Contrairement aux mesures radiatives passives, les mesures lidar ne moyennent pas l’information provenant des diverses couches présentes dans le champ de vision de l’instrument, et peuvent même fournir une information sur l’altitude de couches nuageuses superposées dans le cas de couche supérieure discontinue ou semi-transparente. Ces deux informations permettent d'améliorer la restitution des nuages telle qu'elle est obtenue par imagerie satellitaire.

 

Ces missions ont également permis l'étude de la répartition globale des aérosols atmosphériques, qu'il s'agisse de l'observation d'aérosols troposphériques (feux de biomasse soulèvement et transport de poussières du Sahara ou événements de pollution), ou d'aérosols volcaniques, en particulier après des éruptions puissantes (par exemple en Europe l’éruption du volcan islandais Eyjafjallajökull en 2010). Comme pour les nuages, le principal atout du lidar est de fournir une mesure directe de l'altitude et du coefficient d’extinction des aérosols.

 

Les lidars spatiaux présentent ainsi un intérêt majeur pour l’étude des interactions aérosols-nuages et pour les paramétrisations des nuages dans les modèles météorologiques et climatiques. Les données de CALIPSO sont actuellement utilisées pour valider les modèles numériques de climat mis en Âœuvre dans le cadre des travaux du GIEC.

 

Le fort engagement des laboratoires de l’Institut Pierre-Simon Laplace

L’Institut Pierre-Simon Laplace, en particulier le laboratoire « Atmosphères, milieux, observations spatiales » (Latmos, CNRS/UPMC/UVSQ) et le laboratoire de météorologie dynamique (LMD, CNRS/UPMC/École Polytechnique/ENS/École des ponts ParisTech) ont depuis longtemps déployé une forte expertise dans le domaine des lidars d’abord au sol, puis sur avion, et désormais dans l’espace. Marie-Lise Chanin, Alain Hauchecorne (directeurs de recherche CNRS) et Jacques Porteneuve (ingénieur de recherche CNRS), tous les trois membres du Latmos, ont été les porteurs de la mission Alissa. Jacques Pelon, directeur de recherche CNRS au Latmos est l’« Investigateur Principal » français de la mission Calipso. Pierre Flamant, directeur de recherche CNRS au LMD, a été responsable scientifique de la mission ADM-AEOLUS à l’ESA et pilote actuellement la mission Merlin.

Pour en savoir plus :

Laboratoire « Atmosphères, milieux, observations spatiales » (Latmos, CNRS/UPMC/UVSQ)Nouvelle fenêtre

 

Laboratoire de météorologie dynamique (LMD, CNRS/UPMC/École Polytechnique/ENS/École des ponts ParisTech)Nouvelle fenêtre

 

Informations sur le colloque international « Space-based Lidar Remote Sensing Techniques and Emerging Technologies » (Workshop IEEE 2014)Nouvelle fenêtre

 

Observation de la TerreNouvelle fenêtre

 

Le centre de modélisation du climat de l'IPSLNouvelle fenêtre

 

La mission LITENouvelle fenêtre

 

La mission « Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations » (CALIPSO)Nouvelle fenêtre

La mission CALIPSO » (Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) est une mission franco-américaine d'étude des impacts radiatifs des nuages et des aérosols qui représentent actuellement les principales incertitudes sur la prédiction de l'évolution du climat. En anglais, sur le site de la NASANouvelle fenêtre.

 

La mission « Earth Explorer Atmospheric Dynamics Mission » (ADM-Aeolus)Nouvelle fenêtre



20/03/15