Images satellites/Outils pour les scientifiques

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Depuis le développement des images satellites par l'armée, les scientifiques se sont intéressés à la possibilité de leurs utilisations pour des études des surfaces planétaires (l'étude des terrains) ou des atmosphères (météorologie). Avant toutes les applications de notre vie quotidienne, ces applications ont été utilisées pour découvrir la surface de notre planète, de notre satellite comme de l'Univers proche.

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La grandeur des images et leur qualité permet des analyses poussées, y compris sur les autres astres du Système solaire. De plus, l'imagerie satellite se développe dans le secteur de la cartographie : cette fonction lui permet d'exploiter les terrains et l'aménagement des territoires du monde entier. Il existe différentes cartographies telles que :

• physique, liée à la cartographie des littoraux, des reliefs ou de l'hydrographie ;
• politique, correspondant aux frontières ou aux informations géopolitiques ;
• des flux, c'est-à-dire les flux (déplacements) humains, commerciaux ou immatériels (par exemple le trafic internet).

Les satellites scientifiques regroupent les satellites affectés aux études scientifiques depuis l'espace. On retrouve dans cette catégorie les premiers satellites comme Spoutnik 1 dont les émissions radio ont permis d'étudier les couches atmosphériques supérieures. Les premières briques de l'Europe spatiale ont été posées à la demande des scientifiques qui sont à l'origine des organismes européens de l'ELDO et de l'ESRO.

Météorologie

Dépression sur l'Europe (la tempête Oratia, en octobre 2000), étudiée par les météorologues.

La météorologie est une science permettant, entre autres à l'aide d'images satellites (s'y rajoutent les mesures et observations au sol), d'étudier les phénomènes météorologiques tels que les précipitations, les tempêtes, les cyclones, les aurores boréales ou les tornades. L’analyse de ces photos nous aide à la prévention des conditions météorologiques ou plus couramment pour savoir « le temps qu’il fait ».

Schéma des dépressions sur les États-Unis.

Carte d'un bulletin de Météo-France.

Les météorologues vont analyser les photos obtenues pour pouvoir détecter deux grands types de phénomènes : les modifications atmosphériques et les dépressions. Chacun de ces deux phénomènes influent sur des caractéristiques particulières. Une analyse des dépressions correspond à la mesure de la température, de l'humidité et de la pression. Les scientifiques traduisent les cartes et leurs mesures en schéma, ci-contre, parcourut d'isobares symbolisant les différents paliers de pression. Les phénomènes atmosphériques dépendent des nuages, des précipitations, du vent et également des dépressions. C'est pourquoi lors des bulletins météo on affiche en premier une carte des dépressions, puis celle des phénomènes atmosphériques (« le temps qu’il fait »). En fonction des vents, les météorologues vont étudier les images prises pour prévoir la direction et l'emplacement des pluies, des nuages et où il y aura des éclaircies. Avec ces prévisions, ils vont modéliser des cartes bien connues, celles des bulletins météo.

Les premiers à médiatiser un bulletin météo, sont les Américains en 1940 (référence nécessaire) qui vont, au début, le publier dans un journal puis le transformer en bulletin météo à la télévision. Le présentateur dessine une carte en direct pour une meilleure compréhension du public, tout en expliquant son dessin. Sa popularisation va engendrer une expansion aux autres pays du monde comme la France en 1946 où le premier bulletin fut sur TF1. Ce n'est que plus tardivement en 1990, que les images satellites sont utilisées pour illustrer les dires du présentateur. Le concept de miss météo va être inventé par la suite pour une raison commerciale : il a pour but d'attirer les téléspectateurs à regarder le bulletin, pensant que la vue d'une femme serait plus agréable.

Le changement climatique induit par l'activité de l'homme est devenu officiellement une préoccupation majeure depuis le protocole de Kyoto (1997). L'ampleur du phénomène est mal maîtrisée car il nécessite de modéliser les interactions très complexes entre les océans, les continents et l’atmosphère. Les satellites d'observation jouent un rôle clé dans la collecte des données utilisées par ces travaux de modélisation ainsi que pour la recherche des indices de changement. Le projet GEOSS (Système mondial des systèmes d'observation de la Terre), entré dans une phase active en 2005, vise à coordonner à l'échelle mondiale le recueil des données fournies par les moyens satellitaires et terrestres et leur mise à disposition.

La modélisation et l'étude d'impact du changement climatique font partie des objectifs majeurs du programme GMES (Global Monitoring for Environment and Security) lancé par l'Agence spatiale européenne en 2001 qui est donc le volet européen du projet GEOSS. GMES doit permettre de fédérer au niveau européen l’ensemble des moyens d’observation du globe aussi bien terrestres que spatiaux existants : satellites d'observation nationaux, européens, satellites météorologiques (Eumetsat). Le programme doit garantir la continuité du recueil des données, leur normalisation et faciliter leur mise à disposition. L'ESA prévoit de lancer dans le cadre de GMES cinq satellites d'observation (Sentinel 1 à 5) à compter de 2011 chacun étant doté d'instruments spécifiques (radar, optique...)75.

Le projet franco-américain A-Train, qui comporte six satellites lancés entre 2002 et 2008 en formation à quelques minutes d'intervalle sur une orbite héliosynchrone, s'inscrit dans cette problématique. Les 15 instruments embarqués doivent permettre de recueillir de manière coordonnée de nombreuses données permettant à la fois d'améliorer notre compréhension du fonctionnement climatique et d'affiner les modèles de prévision numérique.

Schéma du A-Train

Étude des terrains

Cette image de la frontière entre Haïti et la République dominicaine illustre la différence de déforestation entre les deux pays : Haïti à gauche et la République dominicaine à droite.

La météorologie n’est pas la seule science que les images satellites ont pu aider dans son émancipation : en effet, la précision des images est de plus en plus accrue. C'est le début des études photographiques satellites chez les scientifiques, les géographes utilisent principalement les images satellites pour de la surveillance environnementale, l'aménagement du territoire, la gestion des ressources naturelles ou même la prévention des risques de catastrophes naturelles.

Cette image du nord l'Inde, nous montre l'intensité de la pollution le long du bassin du Gange et dans la baie du Bengale.

• La surveillance environnementale : de nombreux facteurs construisent l'environnement, mais peuvent également le détruire, c’est pourquoi un juste équilibre doit être préservé. La pollution, l'urbanisation, la déforestation sont tous trois des facteurs qui ces dernières années ont été destructeurs pour la biodiversité. Le raffinage du pétrole ou simplement les voitures créent un taux de pollution des plus élevés. Le développement des villes, suite à l'exode rural, empiète petit à petit sur l'espace naturel et entraîne par la même occasion des vagues de pollutions. La déforestation, elle, est de plus en plus importante notamment en Haïti comme nous le montre la photo. Des moyens, suite à ces analyses tels que des labels, sont mis à disposition. On retrouve notamment la forêt de Fontainebleau en banlieue de Paris qui porte le label de Natura 2000 ou celui d’être parc national.

On observe un avant (en haut) et un après (en bas) d'une région en Chine qui a connut une croissance exceptionnelle de sa population (en bleu-gris) en 25 ans.

• L'aménagement du territoire : de nombreux mouvements de population se font ressentir ces dernières années, comme l'immigration et l'émigration ou l'exode rural. Toutes ces migrations sont analysées pour les comprendre et les prévenir. On découvre des foyers de population qui ne cessent de s'étendre. L'urbanisation énoncée précédemment, fait également partie intégrante de l'aménagement du territoire.
• Gestion des ressources naturelles : gérer les énergies fossiles et renouvelables, la sylviculture, l'agriculture et les ressources maritimes sont des applications essentielles aux images satellites. Des cartes sont créées pour signaler tous les emplacements de gisements de pétrole et de charbon pour faciliter les recherches et permettre de cibler plus rapidement les emplacements susceptibles jouissant d'une nappe de ressources fossiles. Également, sous le même principe, des plans sont réalisés pour indiquer les espaces venteux ou ensoleillés permettant l'insertion d'éoliennes ou de panneaux solaires. Les barrages ont également suivi le même procédé, mais de nos jours, tous les emplacements de barrages ont été épuisés. La sylviculture correspond à l'activité de gérer une forêt, exploitation du bois, protection, gestion de la chasse, etc. Cette culture peu connue est pourtant un élément principal de notre environnement et de notre économie. En effet toutes les forêts que vous rencontrez ou plus simplement tous les bois proches de chez vous, ont été à la base gérés par des sylviculteurs. Malheureusement, tous les pays n'ont pas les mêmes lois de protection de la Nature, comme vu précédemment à Haïti. L'agriculture est également à surveiller du fait de la réduction des terres cultivées, ou d'un autre point de vue, des sur-consommations et pollutions des champs par les pesticides. Les mers et océans, tout comme l'agriculture, subissent de grosses vagues de

Évolution virtuelle du tsunami d'Indonésie en 2004.

pollution, celles-ci ont un impact important sur l'écosystème maritime, ou plutôt sur les ressources maritimes. Les eaux étant de plus en plus sales et la pêche toujours plus active, les poissons sont en danger tout comme la fragile biodiversité de la mer. Des algues se développent et peuvent donner une couleur (marron ou vert) "sale" à l'eau. La pollution de milieu marin se repère sur des images satellites le plus souvent par un éclaircissement de l'eau et une teinte de marron lorsque la pollution est intense, ce que l’on peut remarquer sur l'image de Chine à droite.

• La prévention des risques de catastrophes naturelles : les catastrophes naturelles sont d'une telle force de destruction que nous mettons toutes nos évolutions scientifiques dans leurs préventions. Bien qu'en réalité des phénomènes comme les séismes, les éruptions volcaniques, ou même les tornades ne sont pas prévisibles, il existe des facteurs qui sont indicateurs d'une possibilité de réalisation. En effet, pour les grosses tempêtes, cyclones et tornades, une étude météorologique est possible comme vu précédemment. Chaque facteur comme la pression, l'humidité et la température est analysé pour donner un ordre de grandeur à la possibilité de réalisation d'une catastrophe. Les séismes sont indétectables par images satellites, mais les tsunamis, quant à eux, sont repérables. On peut alors prévoir sa direction et donc, prévenir les populations.

Image satellite du Sahara.

Exemple d'utilisation de ces études : la basse vallée de la Bruche (Bas-Rhin, France), une vallée de plus en plus urbanisée grâce à Strasbourg. Une étude de peuplement a été réalisée sur une période de 20 ans afin d’identifier les phases d’urbanisation et leurs conséquences. Les résultats obtenus mettent en évidence une tendance à la densification et à un étalement du processus d’urbanisation dans cette vallée accompagnée d’une modification profonde des paysages.

Au Sahara les marges arides connaissent un déséquilibre dans la relation qu'entretient la population avec le milieu dû à des changements démographiques depuis une trentaine d'années (expansion démographique, sédentarisation et appropriation des terres). Un des déséquilibres les plus remarqués : la désertification.

Exemple de satellite utilisé dans l'étude de terrain: Hubble.

Exploration de l'Univers

Les satellites d'astronomie, qui sont des télescopes en orbite, permettent d'observer l'espace lointain avec une résolution qui dépasse celles des observatoires terrestres les plus puissants (Hubble). Tout le spectre électromagnétique est aujourd’hui étudié par des télescopes spatiaux : rayonnement X (XMM-Newton), gamma (INTEGRAL), infrarouge (télescope ISO). La fin de la décennie 2000 est fertile en nouveaux instruments (pour l'Europe Herschel, Planck). L'absence d'atmosphère permet la détection d'exoplanètes situées dans des systèmes stellaires extérieurs (Corot).

L'exploration de l'Univers commence en 1783 grâce aux frères Montgolfier, les premiers « explorateurs » à bord de leur ballon à air chaud et relèvent les toutes premières photographies aériennes. Entre temps, les astronautes ont conçu les télescopes pour pouvoir se rapprocher des étoiles. Mais même le plus puissant des télescopes ne permet de voir les objets célestes qu'en des points scintillants infiniment petits.

Ce n'est qu'au vingtième siècle que l’on commence à vouloir explorer l'Univers à l'aide de ballons et de fusées-sonde. Toutefois, ils ne peuvent s'élever qu’à quelques kilomètres d'altitude. C'est à la seconde moitié du siècle, 1950, que l’on réussit à accéder à la haute-atmosphère et aux frontières de l'Espace par les Américains et les Soviétiques. En effet, ils utilisent la toute première fusée, le missile de guerre allemand V-2, pour sonder l'Espace. Cependant, elle ne grimpait qu’à une centaine de kilomètres avant de retomber sur la Terre. Elle donnait des « coups de sonde », d'où l'appellation de fusée-sonde.

En parallèle, une multitude d'innovations technologiques a permis aux astronomes de créer de nouveaux outils d'observation. Ils sont alors parvenus à observer l'Univers de différents façons et sous plusieurs longueurs d'ondes.

Entre les planètes, les lunes, les comètes et les galaxies notre Univers est un grand mystère. Depuis 1959, la première image satellite, les Hommes n'ont qu'une envie : découvrir l'Univers. Chaque sonde lancée, nous rapporte toujours plus d'informations, et d'images. De nos jours, l'ambition de l'Homme est de conquérir cet Univers. Les explorations faites ne servent plus uniquement à prendre des photos, mais à analyser l'Espace, connaître ses ressources et comprendre les lois qui le régissent. On cherche la légende des extraterrestres sur Mars ou Jupiter. Allez vivre sur une autre planète ou même simplement comprendre la rotation de la Terre. Voilà à quoi sert l'exploration de l'Univers, comprendre et étudier les lois physiques et scientifiques de notre système solaire.

Bien que la photographie orbitale de la Lune n'arrive que tardivement après son exploration au télescope, c’est elle qui a permis la cartographie précise de cet astre, bien avant que la mission mission Apollo 11 se pose à sa surface le 20 juillet 1968. La photographie orbitale de la Lune a été assurée par les sondes des programmes spatiaux Luna (soviétique, 1959-1976), Ranger (américain, 1961-1965) et Lunar Orbiter (américain, 1966-1967).

• Images du système solaire obtenu à l'aide de satellites.
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  La Terre prise par la mission Apollo 17 en route pour la Lune, le 7 décembre 1972.
• 
  Photo provenant du satellite 102 Viking Orbiter 1 de Mars le 22 février 1980.
• 
  Mercure vue par la sonde Messenger le 14 janvier 2008.
• 
  Le Soleil, l'étoile au centre de notre système solaire.

Sonde Marsnik.

• Exemple de Mars : c’est dès les années 1960 que l'Union soviétique procède à deux lancements de sondes spatiales vers Mars, Marsnik 1 et Marsnik 2, le 10 et 14 octobre 1960, celle-ci possédant déjà des lanceurs permettant l'exploration interplanétaire. L'objectif était de photographier la surface de Mars mais également d'étudier le milieu et de voir les effets qui intervenaient sur le matériel envoyé. Seulement ces deux missions échouent dû au défaillance du lanceur.

L'URSS ne cesse de renouveler l'envoi de plusieurs sondes satellitaires jusqu'en 1964 mais toutes échouent avec l'attraction terrestre ou l'arrêt soudain des communications.

En 1962, la première fusée américaine à lancer des sondes interplanétaires est L'Atlas Agena. Cette fusée est créée pour être envoyée sur Vénus et non sur Mars car étant plus facile d'accès en raison de l'éloignement du Soleil et de la Terre.

• Exemple de Vénus : en effet, l'année 1962 marque un grand tournant sur les connaissances de Vénus. Les américains envoient la toute première sonde Mariner 2 qui survole Vénus et leur permettent de récupérer certaines informations comme la température de la surface et de la masse nuageuse de la planète. En 1967, une seconde sonde américaine Mariner 5 est envoyée pour parfaire les informations reçues de Mariner 2. Les soviétiques suivent les traces des américains et envoient Venera 4. Ils reçoivent alors des données sur la composition et la pression atmosphérique de la planète. Les missions Venera se poursuivent dans les années 1970 et elles parviennent à atteindre la surface. C'est en 1982 que les premières photos couleurs de la surface de Vénus apparaissent par les sondes soviétiques mais entre 1990 et 1994, la sonde Magellan, sonde américaine, réalise un cartographie de la surface de la planète ayant une résolution de 100 mètres.

Titan:Satellite ( lune ) de Saturne

• Exemple de Saturne : durant trois ans, trois sondes ; Pioneer 11 en 1979, Voyager 1 en 1980 et Voyager 2 en 1981; ont visitéés, explorées la planète. Mais chaque sonde à son propre parcours.

En effet, la sonde Pioneer 11 réussit à prendre des photographies cependant de basse résolution exposant quelques satellites. Elle a également pu étudier un des anneaux de Saturne et calculer la Température de Titan.

Voyager 1 fut la première sonde à envoyer des images de haute résolution de la planète avec ses anneaux et ses satellites. Elle survola Titan, calculant son atmosphère. Cependant, ce survol éjecta la sonde hors du Système Solaire.

Voyager 2 persiste sur l'étude de Saturne en août 1981 continuant la capture d'images qui expliquent l'évolution de l'atmosphère et des anneaux de la planète. Seulement, avec la gravitation de celle-ci, la sonde est envoyée vers Uranus qui la dévie à son tour vers Neptune.

En 2004, la sonde Cassini-Huygens est envoyée par la NASA et la ESA et persiste jusqu'en 2010 affinant les recherches de Saturne et de Titan particulièrement. 2006 : Observation de lacs et mers d'hydrocarbures au pôle nord de Titan, informations confirmées en 2007.

« Regardez encore ce petit point. C'est ici. C'est notre foyer. C'est nous. Sur lui se trouve tous ceux que vous aimez, tous ceux que vous connaissez, tous ceux dont vous avez entendu parler, tous les êtres humains qui aient jamais vécu. Toute la somme de nos joies et de nos souffrances, des milliers de religions aux convictions assurées, d'idéologies et de doctrines économiques, tous les chasseurs et cueilleurs, tous les héros et tous les lâches, tous les créateurs et destructeurs de civilisations, tous les rois et tous les paysans, tous les jeunes couples d'amoureux, tous les pères et mères, tous les enfants plein d'espoir, les inventeurs et les explorateurs, tous les professeurs de morale, tous les politiciens corrompus, toutes les “superstars”, tous les “guides suprêmes”, tous les saints et pécheurs de l'histoire de notre espèce ont vécu ici, sur ce grain de poussière suspendu dans un rayon de soleil. ».