Salinité des océans et humidité des sols : les premières mesures du satellite européen SMOS analysées par les chercheurs

Pendant la conférence Living Planet qui s’est tenue du 28 juin au 2 juillet à Bergen en Norvège, l’Agence Spatiale Européenne avait invité plusieurs scientifiques à faire le point sur les données d'humidité et de salinité fournies par le nouveau satellite SMOS.

Après la phase de calibration et de mise en service, SMOS a commencé en mai 2010 à fournir des mesures de manière opérationnelle. Les premiers résultats sur un période d’un mois sont très encourageants et dépassent les attentes des chercheurs. Les traitements complets des données devraient permettre d’atteindre la précision recherchée. Planète Sciences Midi-Pyrénées a mis au point des modules pédagogiques autour de ces notions de salinité et de circulation océanique.

Vue d'artiste de SMOS en orbite autour de la Terre avec ses antennes déployées
(Crédit image : ESA Astrium)

SMOS, un satellite pour la mesure de l’humidité des sols et de salinité des océans (Soil Moisture and Ocean Salinity)

Le satellite européen SMOS a été lancé en même temps que Proba-2 le 2 novembre 2009 par une fusée Rockot depuis la base de Plesetsk en Russie.

SMOS embarque 69 capteurs et son envergure, un fois les antennes déployées, atteint 8 mètres. La charge utile de SMOS est le radiomètre MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis) : il s’agit d’un imageur micro-ondes à synthèse d'ouverture en bande L (21 cm de longueur d’onde, 1,4 gigahertz) installé sur trois bras déployables. SMOS pèse au lancement 660 kg : 282 kg pour la plate-forme, 350 kg pour la charge utile et 28 kg d’hydrazine pour les manœuvres en orbite.

En orbite à 755 km d’altitude, l’objectif de cette mission de l’Agence Spatiale Européenne est de collecter deux types de mesure :

• Le degré d’humidité de surface des sols influence la météorologie en raison des échanges d'énergie entre sol et atmosphère : l'évaporation, l'infiltration et l'écoulement varient selon l’humidité superficielle La réserve d’eau pour la végétation dépend fortement de l'humidité des sols dans la zone des racines des plantes. Après calibration complète, SMOS devrait mesurer l'humidité des sols avec une précision de 0.04 m³/m³ et une résolution spatiale meilleure que 50 km au minimum tous les 3 jours
• La salinité de la couche superficielle des océans. La salinité des océans contribue à la circulation des masses d’eau (phénomène dit de « tapis roulant ») et à sa relation avec le climat. Dans les régions sub-polaires du nord de l’Atlantique, les apports d’eau de basse salinité influencent la circulation thermohaline profonde et le transport de chaleur méridional. Les variations de la salinité influencent également les mouvements de surface des océans tropicaux. SMOS a pour objectif de fournir des cartes de salinité globales de l'eau en surface des océans à 0.1 PSU (Practical Salinity Unit) avec une résolution spatiale de 200 km tous les 10 jours.

SMOS effectue quinze révolutions autour de notre planète par 24 heures et produit tous les trois jours une carte complète de la surface terrestre avec une résolution de 50 km par pixel et une profondeur d’un centimètre. SMOS mesure une température de brillance (c’est la température qu'aurait un corps noir émettant le même flux de rayonnement que la surface observée). L’enjeu est de contribuer à une meilleure compréhension du cycle de l’eau et d’améliorer la prévision météorologique et la recherche sur le climat.

Les composantes du cycle de l'eau (Crédit image : ESA / Medialab)

L'ensemble de la mission SMOS est sous la responsabilité de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) et est réalisée en coopération avec le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES - France) et le Centre pour le Développement Industriel et Technique (CDTI - Espagne). Thalès Alenia Space est le maître d’œuvre industriel du programme SMOS et fournit la plate-forme. Astrium Espagne a assuré la maîtrise d’œuvre de la conception et construction de la charge utile.

Pour l’exploitation scientifique, Le principal investigateur de la mission SMOS est le CESBIO, dirigé par Yann Kerr, une unité mixte de recherche qui dépend du CNES, de l'Université Paul Sabatier de Toulouse, du CNRS et de l'IRD.

Afin de vérifier l’utilité des données SMOS pour la prévision météorologique, les informations collectées sont également fournies, aux centres météorologiques comme l’ECMWF (Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme).

Une carte globale d'humidité des sols produits par le CESBIO et présentée à Bergen
pendant la conférence Living Planet de l'ESA (Crédit image : ESA - CESBIO)

Une unité pour mesurer la salinité des océans :

En 1978, l’UNESCO a défini une unité de mesure de la concentration des sels dissous dans l’eau : la « practical salinity unit » (PSU) ou unité de salinité pratique. Elle correspond à un ratio de conductivité par rapport à une référence. C’est donc une unité sans dimension.

La salinité (S) d'un échantillon d'eau est donnée par le rapport K de la conductivité électrique de cet échantillon d'eau de mer à 15 °C et à la pression atmosphérique normale, avec la conductivité d'une solution de chlorure de potassium (KCl) dans laquelle la fraction en masse de KCl est 0,0324356, à la même température et même pression. Si ce rapport K est égal à 1 on dit que la salinité est de 35.

1 psu correspond à 1 gramme de sel par kilogramme d’eau. L’eau de mer à une salinité moyenne d’environ 35 psu. En pratique, elle est mesurée indirectement par la conductivité électrique.

La salinité était exprimée auparavant en parties par millier (ppm ou ^O/oo). La précision de mesure de SMOS (0,1 psu) est équivalente à 1 gramme de sel dans 10 litres d’eau.

Carte de salinité globale des océans - synthèse mensuelle pour le mois de mai 2010
(Crédit image : ESA - Ifremer, N. Reul)

Suggestions d’utilisation pédagogique en classe :

• Travail sur la circulation océanique : en collaboration avec ses partenaires scientifiques (CNES, CESBIO, Mercator-Océan), dans le cadre du projet "Un autre  regard sur la Terre", Planète Sciences Midi-Pyrénées a conçu une série de modules d’animation pédagogique et d’expérimentation sur le thème de la circulation océanique et des paramètres qui l’influencent : températures des masses d’eau et salinité. Dans les deux cas, les expériences proposées mettent en évidence les effets dus aux différences de masse volumique, soit à cause de la température (eau froide plus dense) soit à cause de la salinité (eau salée plus dense). Les enseignants intéressés par ces modules pédagogiques peuvent contacter directement Planète Sciences Midi-Pyrénées.

• Travail sur le cycle de l’eau, sous forme bibliographique ou expérimentale. Planète Sciences Midi-Pyrénées recherche des enseignants souhaitant participer à la mise au point ou à l’évaluation de nouveaux modules expérimentaux.

Animation conçue par Planète Sciences Midi-Pyrénées autour de la salinité et de mouvement des
masses d'eau de salinités différentes (Crédit photo : Gil Denis / Planète Sciences Midi-Pyrénées)

Exemple d'expérience conçue par Planète Sciences Midi-Pyrénées. Dans ce cas, deux colorants
alimentaires mettent en évidence les mouvements de l'eau réchauffée à gauche par
des résistances chauffantes et refroidie à droite par des glaçons
(Crédit photo : Gil Denis / Planète Sciences Midi-Pyrénées)

En savoir plus :

• La mission SMOS sur le site de l'ESA (en anglais).
• La mission SMOS sur le site du CESBIO.
• Des informations sur le satellite SMOS sur le site du CNES.
• La mission SMOS sur le site d'EADS ASTRIUM (avec une carte d'identité de SMOS).
• Un article sur le lancement de SMOS sur le blog Sciences² de Sylvestre Huet.
  
• Les pages sur les activités environnement de Planète Sciences.
  
• Des exemples d'activités pédagogiques en relation avec l'expédition TARA réalisées en partenariat avec Planète Sciences.