APPLICATION DES IMAGES SATELLITES :

Les images satellites ont diverses applications :
- météo
- sismologie
- volcanisme
- feu de forêts
- marée noire
…

Nous avons décidé de nous intéresser particulièrement à deux grandes applications. La première est étroitement liée à notre vie quotidienne puisqu’il s’agit de la météorologie. En effet, les images satellites sont indispensables pour réaliser des prévisions météo.
La seconde application que nous avons décidé de développer a quant à elle rapport avec notre actualité. Le 26 Décembre 2004, un séisme dans les profondeurs maritimes provoquait un tsunami dévastateur. Nous verrons donc comment peuvent être utilisées les images satellites pour estimer les dégâts provoquer par cette catastrophe.

I. Les images satellites et la météorologie :

Depuis plus de 20 ans, des millions de personnes suivent chaque jour les bulletins météorologiques élaborés à partir des images de METEOSAT : anticyclones, dépressions atmosphériques et masses nuageuses sont ainsi apparus sur nos écrans de télévision.

Au-delà des prévisions quotidiennes, les données fournies par les satellites METEOSAT sont essentielles pour anticiper les phénomènes météorologiques violents tels que les ouragans, les tempêtes ou les inondations… et suivre, à long terme, l’évolution du climat de notre planète.

Les satellites météorologiques apportent une vision globale et planétaire de l'état de l'atmosphère. Les satellites en orbite polaire (passant à peu près par l'axe des pôles) survolent la totalité de la Terre deux fois par jour. Ils fournissent une image des masses nuageuses et de leur évolution, ainsi qu'une multitude de données relatives à la température de surface des océans, à la quantité d'ozone atmosphérique, à l'humidité des sols, à la surface couverte par les glaces marines et continentales dans les hautes latitudes. Ils enregistrent des informations sur l'état de l'atmosphère. Les satellites géostationnaires paraissent immobiles car leur orbite est située dans le plan équatorial et ils tournent dans le même sens et à la même vitesse angulaire que la Terre. Ils observent donc en continu une portion du globe terrestre.

Aujourd'hui, sept satellites tournent autour de la Terre, cinq en position géostationnaire dont Meteosat, le satellite européen, et deux en orbite polaire. Chaque satellite fournit plusieurs milliers de données par jour.
Météosat est le programme météorologie de l'Agence spatiale européenne (EAS) comprenant plusieurs satellites en orbite. Les satellites Météosat occupent une orbite géostationnaire à 36 000 kilomètres à la verticale de l'équateur à 0° de longitude.
La constellation Météosat est composée de satellites à orbite géostationnaire, qui permettent un envoi de photos de notre atmosphère toute les demi-heures, grâce à une instrumentation composée principalement d'un radiomètre imageur opérant à la fois dans le visible et dans l'infrarouge.

Le satellite tourne à 100 tours/minutes autour de son axe principal, orienté parallèlement à l'axe nord-sud de la terre. Cette rotation régulière permet le balayage d'un radiomètre qui effectue des mesures de luminance dans 3 canaux: visible, infrarouge thermique, et infrarouge "bande d'absorption de la vapeur d'eau".Ainsi chaque ligne de l'image est obtenue simplement grâce à cette rotation. Le système est conçu pour fournir toutes les 30 minutes une vue globale du disque terrestre.

Comment ça marche ?
Le soleil émet des rayonnements de différentes longueurs d'onde vers la Terre, qui mettent environ 8 minutes à l'atteindre. Le spectre visible de la lumière est généralement défini par le domaine de longueur d'onde suivant : de la plus petite longueur d'onde visible pour le violet, environ 400 nm, à 750 nm pour le rouge. Les longueurs d'onde inférieures à 400 nm correspondent au rayonnement ultraviolet ; les longueurs d'onde encore plus basses caractérisent les rayons X. Les longueurs d'onde supérieures à 750 nm correspondent aux radiations infrarouges et celles encore plus élevées caractérisent les ondes radio.

Le radiomètre est l'instrument principal dont les satellites météorologiques sont équipés. Cet instrument balaye la surface de la Terre ligne par ligne. Chaque ligne consiste en une série d'images élémentaires ou pixel. Pour chaque pixel, le radiomètre mesure l'énergie radiative dans différentes bandes spectrales. Cette mesure est numérisée, puis transmise à une station au sol où elle est traitée, avant d'être envoyée à la communauté des utilisateurs.

Trois canaux pour l'imagerie se trouvent sur le satellite: un canal visible (0,45-1,00 µm), un canal dans l'infrarouge thermique (10,5-12,5 µm) et un canal « vapeur d'eau » (5,7-7,1 µm). Les images sont prises toutes les demi-heures.

Le canal visible :
Les images visibles représentent la quantité de lumière visible rétro diffusée par les nuages ou la surface de la Terre. Les nuages et la neige apparaissent en blanc et les zones sans nuage en noir. Les nuages épais sont plus brillants que les nuages fins. Il est difficile de distinguer les nuages bas des nuages élevés. Pour cela, il faut utiliser les images infrarouges. On ne peut pas utiliser les images visibles la nuit. L'énergie de radiation (S) émise par le Soleil est très intense pour une gamme de longueur d'onde comprise entre 0,4 µm et 0,7 µm (C'est la lumière visible que perçoit l'œil humain) et maximale pour une valeur de longueur d'onde de 0,5 µm.

Que devient-elle en arrivant près de la surface terrestre ?
Une partie plus ou moins importante de cette énergie en provenance du soleil est absorbée par les différentes formations de la surface terrestre ou proche d'elle : il s'agit pour l'essentiel des sols, des océans et des nuages. L' autre fraction (R) est réfléchie ou diffusée en direction de l'espace. Le rapport de ces énergies S/R constitue l'albédo de cette surface (nous reviendrons plus tard sur la notion d’albédo). C'est elle que le satellite Météosat capte au moyen de son détecteur sensible aux énergies de radiation comprises entre 0,4 µm et 0,9 µm

Codage de l'image
L'énergie réfléchie par une surface de sol de 2,5 km sur 2,5 km étant captée, Météosat l'évalue et numérise la mesure. La valeur de cette mesure comprise entre 0 et 255 se retrouve dans l'image sous forme d'un point ou pixel de couleur variant de noir à blanc.

Le canal infrarouge :
Les images infrarouges représentent une mesure du rayonnement infrarouge émis par le sol ou les nuages. Ce rayonnement dépend de la température. Plus l'objet est chaud, plus il est noir et plus l'objet est froid, plus il est blanc. Les nuages élevés apparaissent plus blancs que les nuages bas car ils sont plus froids. Dans les zones sans nuages, plus le sol est chaud, plus il est sombre.
La surface terrestre après avoir absorbé une fraction de l'énergie incidente rayonne à son tour restituant ainsi une partie de l'énergie emmagasinée. A la température de la Terre (moyenne 15 °C), ce rayonnement se fait dans une gamme de longueurs d'ondes comprise entre 3 et 50 µm avec un maximum pour 10 µm. Ces longueurs d'onde appartiennent au domaine des infrarouges IR.

Comment ces rayons infrarouges parviennent-ils jusqu'à Météosat ?
Une majeure partie de ces radiations émises par la Terre est absorbée par la vapeur d'eau et certains gaz (CO2, N2O, O3, O2) présents dans l'atmosphère, piégent ainsi cette énergie (effet de serre) (c'est le même phénomène quand les rayons ultraviolets sont arrêtés par la vitre d'une fenêtre).
Cependant cette absorption atmosphérique est inégale selon les radiations émises par la Terre. Les infrarouges de longueur d'onde comprise entre 8,5µm et 13 µm traversent bien l'atmosphère. Ce sont eux que le satellite Météosat capte au moyen de son détecteur IR sensible aux énergies radiatives (de radiation) comprises entre 10,5 et 12,5 µm.
L'émission est fonction de la température et de la nature du corps émetteur. La couverture nuageuse, selon sa nature (glace, vapeur) et son épaisseur laissera passer plus ou moins ces rayons IR.

Codage de l’image
L'énergie émise par une surface de sol de 5 km sur 5 km étant captée, Météosat l'évalue et numérise la mesure. La valeur de cette mesure comprise entre 0 et 255 se retrouve dans l'image sous forme d'un point ou pixel de couleur variant de blanc à noir pour la palette couramment employée (cf « le canal visible »).

Le canal vapeur
Les images « vapeur d'eau » représentent une mesure du rayonnement infrarouge influencée par la vapeur d'eau dans l'atmosphère. Cela permet de déterminer les zones sèches et les zones humides.
Les zones sombres correspondent à des zones sèches et les blanches à des zones humides. La surface terrestre après avoir absorbé de l'énergie incidente va en restituer une partie sous forme de rayonnement. A la température de la Terre (moyenne 15 °C), ce rayonnement se fait dans une gamme de longueurs d'ondes comprise entre 3 et 50 µm avec un maximum pour 10 µm. Ces longueurs d'onde appartiennent au domaine des infrarouges IR.

Pourquoi parler de vapeur d'eau
Une majeure partie de ces radiations émises par la Terre est absorbée par la vapeur d'eau et certains gaz (CO2, N2O, O3, O2) présents dans l'atmosphère. Ils piègent ainsi cette énergie (effet de serre).
Les infrarouges de longueur d'onde comprise entre 5 µm et 7,5 µm sont particulièrement absorbés quand l'atmosphère est riche en vapeur d'eau. Ce sont eux que le satellite Météosat capte au moyen de son détecteur WV (Water Vapour) sensible aux énergies radiatives comprises entre 5,5 et 7,5 µm
Lorsque l'atmosphère est pauvre en vapeur d'eau, ces rayons infrarouges la traversent et parviennent au capteur WV de Météosat. Au contraire plus l'atmosphère est chargée de vapeur d'eau moins ils la traversent.

Codage de l’image
L'énergie émise par une surface de sol de 5 km sur 5 km étant captée, Météosat l'évalue et numérise la mesure. La valeur de cette mesure comprise entre 0 et 255 se retrouve dans l'image sous forme d'un point ou pixel de couleur variant de blanc à noir (voir la palette précédente)

L’ALBEDO :
Quand les rayons parviennent à la Terre une partie de l'énergie qu'ils portent est déviée par les différentes couches de l'atmosphère. Cependant l'autre partie arrive à la traverser. Celle-ci est alors réfléchie par les nuages ou par le sol. Ce qu'on nomme albédo est le rapport entre l'énergie réfléchie et l'énergie incidente. Ce rapport est fonction du milieu, ainsi, l'albédo de la neige (0.85) n'est pas le même que celui d'une prairie (0.20). En moyenne, l'albédo de la Terre est de 0.3 ce qui signifie que 70% de l'énergie que nous recevons est réfléchie.

Voici quelques mesures d'albédo pour différents matériaux :

Toute surface absorbe une partie du rayonnement incident pour n'en réfléchir qu'une partie. Elle n'absorbe que les longueurs d'onde qu'elle ne possède pas. De plus, un rayonnement solaire se compose de plusieurs longueurs d'onde (lumière polychromatique). On peut donc émettre l'hypothèse qu'il suffit de collecter les différentes longueurs d'ondes réfléchies pour pouvoir déterminer, sur une zone donnée, la nature de l'élément qui à réfléchit ces ondes.

En fait, l'image satellitaire n'est pas une photo comme celle qui sort de nos appareils. En réalité, elle est une reconstitution pixels par pixels de la réalité. Les couleurs étant choisies arbitrairement.

Pour expliquer le fonctionnement, nous allons nous baser sur un unique pixel. Lorsque le radiomètre embarqué sur le satellite fait une mesure de réflectance (d'où établissement de l'albédo), il transmet la valeur à un ordinateur au sol. Ce dernier va comparer cette valeur à celles contenues dans une base de données. Grâce à cette base de données on sait déjà à quoi correspond, par exemple, la réflectance émanant d'une forêt de sapin, ou bien d'un désert. Et donc si la mesure effectuée par le satellite correspond à la valeur attendue pour un désert, on considérera que le pixel en question doit représenter un désert. On pourra alors lui donner une couleur jaune.

Ainsi, pixel par pixel, les ordinateurs reconstituent une image fidèle à la réalité

En conclusion, grâce aux images, les météorologues peuvent ainsi prévoir les déplacements et les directions prises par les masses nuageuses ainsi que leurs tailles. Les infrarouges interprétés informatiquement offrent des informations sur les températures. Une fois ces données couplées avec les mesures de pressions atmosphériques faites au sol, prévoir le temps devient plus facile.

Plusieurs fois par jour, plusieurs satellites effectuent le même travail de prise d'image de manière à pouvoir élaborer les meilleures prévisions possibles

II. Une catastrophe naturelle : Le tsunami en Asie

Un tsunami (du japonais tsu, port, et nami, vague, donc littéralement « vague portuaire ») ou raz-de-marée est une série de quelques vagues provoquées par une action mécanique brutale (séisme) dans un océan ou une mer, le plus souvent tectonique ou volcanique, mais un glissement de terrain de grande ampleur ou un impact météoritique peuvent aussi en être la cause. Contrairement aux autres vagues, ils ne sont pas créés par le vent.

Un tsunami est créé lorsqu'une grande masse d'eau est déplacée. Cela peut être le cas lors d'un séisme sous-marin important, lorsque le niveau du plancher océanique le long d'une faille s'abaisse ou s'élève brutalement.

L’interférométrie radar permet de surveiller le déclenchement des catastrophes naturelles comme les tsunamis.

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Interférométrie radar : mode d’emploi
Les deux satellites ERS qui permettent d’enregistrer les subtils mouvements du sol sont installés à une altitude de 785km sur une orbite quasi-polaire qui leur fait faire le tour de la terre en 100minutes. A ce rythme, 35 jours seulement leur sont nécessaires pour couvrir le globe. Ils sont équipés d’équipements radar Sar (synthétic aperture radar).

Leurs capteurs radar détectent les réflexions d’ondes électromagnétiques qu’ils ont eux-mêmes émis vers la cible. Ces pulsations d’ondes radios à haute fréquence font ainsi, de jour comme de nuit, l’aller et retour entre la Terre et le satellite sans être affectées par les conditions climatiques, par la présence ou non de nuages qu’elles traversent rapidement. La connaissance de la durée du trajet (= aller et retour) des ondes (sa phase) permet de calculer la distance de l’obstacle. En utilisant de courtes longueurs d’onde, on peut ainsi déterminer au centimètre près voire à quelques millimètres près la distance de la cible. La technique d’interférométrie radar mise au point depuis une dizaine d’années consiste à prendre au moins deux images radar d’une même portion de sol et de soustraire par ordinateur une image de l’autre pour former un interférogramme. Si le paysage n’a pas bougé dans l’intervalle, la phase de chaque pixel sera identique sur les deux images et le résultat de l’opération sera blanc. Si en revanche des changements mêmes infimes (centimétriques ou millimétriques) se sont produits, la phase de certains pixels sera modifiée permettant de calculer la différence entre les deux prises de vue.

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Outre les variations du sol, la détection par signal radar est aussi sensible à la présence d’eau, qui renvoie des signaux bien distincts. Cette particularité est utile lors de grandes inondations mais aussi lors des tsunamis.

Ainsi, lorsque un tsunami se produit, le niveau de la mer diminue brusquement à cause du séisme et de l’affaissement du plancher sous-marin qu’il provoque. Ensuite, les ondes créent les vagues d’où un niveau de la mer chamboulé.
La technique d’interférométrie permet de détecter ces variations du niveau de la mer et donc de prévenir un tsunami. Ceci permet notamment d’organiser le retrait des populations sur les côtes.

Après une catastrophe naturelle, comme après le passage d’un tsunami, les satellites permettent alors d’évaluer les dégâts. En prenant des images de la zone dévastées, on constate de gros changements : la zone ravagée n’est plus la même (sur l’image satellite ci-dessus, à gauche, après le passage du tsunami, on voit clairement que les zones dévastées apparaissent en marron alors qu’elles étaient vertes auparavant).

De plus, dans le cas du tsunami de Décembre 2004, les satellites ont montré que certaines îles ont été déplacées de quelques centimètres.

Les images satellites sont donc d’une grande utilité lors d’événements tels que le tsunami car elles permettent de les détecter mais également d’évaluer les dégâts causés par ces derniers.