METEOSAT

Voir le temps depuis le ciel presque en temps réel !

Cartographie, niveau des mers, pollution, météo… L'apport des satellites dans la connaissance du globe est considérable !

Au départ, satellite viendrait d'un mot latin signifiant garde du corps, complice.

Kepler lui attribue un sens moderne en 1611 lorsqu'il observe des corps tournant autour de Jupiter.

Mais le premier satellite artificiel, lui, date du 4 octobre 1957. C'est Spoutnik-1, placé en orbite par les Soviétiques.

Depuis près de 40 ans, ces satellites artificiels ont été envoyés graviter autour de la Terre,  mais aussi autour d'autres planètes du système solaire,

tournent de façon périodique autour d'un corps massif, ce mouvement étant principalement déterminé par le champ de gravité de ce corps..

 

En 1977, premier satellite météorologique Météosat sur orbite géostationnaire.

 

Centre de contrôle Eumetsat :

centre control eumetsat

Pourquoi des satellites pour prévoir le temps ?

Les changements de temps se produisent en basse altitude, dans la couche inférieure de l'atmosphère, et les stations terrestres ne

peuvent surveiller que 20 % de la surface du globe, pour exemple les océans,  sont hors de leur portée.

Seules les observations par satellite ont permis d'effacer progressivement ces "blancs".

Seuls les satellites placés sur orbite géostationnaire peuvent fournir ce type d'informations parce qu'ils

permettent de couvrir une partie de la terre (disque) sans interruption.

La plupart des satellites météorologiques, comme les satellites d'observation,

utilisent des radiomètres, ces capteurs sensibles à différents rayonnements.

Météosat-7, par exemple,

fournit chaque demi-heure des images de la surface terrestre et de sa pellicule atmosphérique dans trois canaux de longueurs d'onde :

le visible, qui montre les formations nuageuses, l'infrarouge thermique, indicateur des températures,

et l'infrarouge absorbé par la vapeur d'eau, pour connaître l'humidité.

Ainsi, Météosat mesure en permanence les profils de température,

d'humidité et de pression atmosphérique, ainsi que la direction et la vitesse des vents de la surface du sol à la stratosphère.

En 2002, Meteosat-7 est remplacé par MSG-1, mais actuellement MET-7 continue à fonctionner en zone IODC.

MSG1 suivi fin 2005 par MSG-2, a 0° satellites Météosat  Seconde Génération, METEOSAT-8 et METEOSAT-9.

 

image005.jpg

 

Prévoir , anticiper les catastrophes :

Une autre raison, plus pratique et liée à une forte demande, d'étudier l'atmosphère, c'est la prévision du temps.

L'époque où l'on se contentait d'observer les variations du baromètre pour prédire la météo est révolue.

 

Pourquoi utiliser des satellites toujours plus performant ?

Aujourd'hui, la météorologie moderne réclame beaucoup plus d'informations.

Ils observent la planète entière.

Ils ne sont pas affectés par les systèmes  météorologiques locaux.

Leurs données complètent celles des stations météo locales, des radars,  ballons sondes, etc…

Chaque jour +5,7 millions de données satellitaires sont utilisées, pour l’assimilation des données et les prévisions météo.

Quoi de neuf , docteur ?

MSG est équipé d'un radiomètre de pointe qui observe la surface de la Terre et le couvert nuageux dans douze canaux spectraux différents (contre trois auparavant).

Il fournit également des images très haute résolution.

L'un de ces canaux permet, par exemple, de distinguer les nuages ordinaires, constitués de gouttes d'eau,

des nuages composés de cristaux de glace. Utile pour prévoir plus précisément l'arrivée des orages, et répondre au besoin des transporteurs aériens par exemple.

 

LES DIFFERENTS CANAUX MSG2 :

 

Toutes les 15 minutes, une scène Météosat -SEVIRI est acquise, toutes les 5 minutes une scène Météosat -SEVIRI est acquise en rapide scan service (RSS).

 

Douze fichiers images qui correspondent aux douze canaux du satellite MSG sont enregistrés.

Paramètres

Bandes spectrales (longueur d'onde exprimée en m)

Nom du canal

HRV

VIS 0,6

VIS 0,8

SWIR

IR 3,9

WV 6,2

WV 7,3

IR 8,7

IR 9,7

IR 10,8

IR 12

IR 13,4

Domaine

VIS
0,5-0,9

VIS
0,6-0,7

VIS
0,7-0,9

IR
1,5-1,8

IR
3,5-4,4

IR
5,3-7,1

IR
6,8-7,9

IR
8,3-9,1

IR
9,4-9,9

IR
9,8-11,8

IR
11-13

IR
12,4-14

Résolution spatiale

1 km

3km

3km

3km

3km

3km

3km

3km

3km

3km

3km

3km

Nombre de lignes par image

11136

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

Nombre de pixels par ligne

5568

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

3712

 

Un canal parmi les 12 a une résolution très fine d'un km (High Résolution Visible : HRV), tandis que les autres sont acquis avec une résolution de 3 Km.

 

Capturercanaux hrit

 

 

MSG : VERS DES CAPTEURS PLUS PRECIS :

Le radiomètre SEVIRI transmet des images des structures météorologiques à une résolution de 3 Km

pour tous les canaux à l'exception du canal visible haute résolution (HRV) qui a une résolution d'un Km.

Ses 12 canaux permettent de procéder à ce qu'on appelle un "pseudo sondage".

La fréquence de son cycle de vue rapide, avec une nouvelle image toutes les 15 minutes,

permet de suivre les phénomènes météorologiques à évolution rapide,

 ce qui s'avère d'une grande utilité pour les prévisionnistes qui peuvent ainsi reconnaître et prévoir les phénomènes météorologiques dangereux,

orages, pluies violentes, brouillards ou le développement de dépressions aussi petites qu'intenses susceptibles d'aboutir à des tempêtes dévastatrices.

 

Le capteur SEVIRI est un radiomètre à balayage et c'est la rotation du satellite autour de son axe principal d'inertie

qui est utilisée pour réaliser l'acquisition des images.

 

Le satellite tourne à 100 tours par minute autour d'un axe parallèle à l'axe Nord-Sud de la terre.

Le télescope du radiomètre de Météosat vise la terre par l'intermédiaire d'un miroir et balaie à chaque révolution du satellite une étroite bande de la surface de la terre.

L'angle de balayage correspondant, de 18°, est décrit en 30 ms.

Pendant les 570 ms suivantes,

le télescope vise l'espace et cette durée est mise à profit pour modifier l'orientation du miroir,

de façon qu'au tour suivant, il balaie au sol une bande contiguë à la précédente,

 mais plus au nord.

 

La phase de non acquisition de données est mise à profit pour calibrer les détecteurs.

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.

 

Outre SEVIRI,

les satellites MSG ont a bord l'instrument GERB de mesure du bilan radiatif de la terre qui fournit des informations

précieuses sur le rayonnement de la planète, permettant aux chercheurs de calculer avec une grande précision le bilan radiatif terrestre,

c'est-à-dire le rapport entre le rayonnement venant du Soleil et celui renvoyé dans l'espace.

En complément de ces deux instruments,

les satellites MSG sont dotés d'une charge utile de télécommunications très perfectionnée,

nécessaire à l'exploitation, à ses télécommunications et à la diffusion des données aux utilisateurs.

 

Grâce aux images satellites, les météorologues peuvent 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,

la prévision du 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.

Les MSG apportent une autre méthode destiné a fournir aux services météorologiques des données de meilleure qualité à fréquence plus rapide.

Ces données et images aideront les services météo à mieux prévoir les conditions météorologiques extrêmes,

et contribueront donc à sauver vies humaines et biens.

Elles permettront tout autant aux chercheurs

d'acquérir une meilleure compréhension des processus physiques influant le climat et le temps.

 

222

 

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 nuages 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. Les images visibles sont complètement noires pendant la nuit, et ne peuvent ainsi être utilisées.

L'énergie de radiation (S) émise par le Soleil est très intense pour une gamme de longueur d'onde comprise entre 0,4 um et 0,7 um

(C'est la lumière visible que perçoit l'oeil humain) et maximale pour une valeur de longueur d'onde de 0,5 um.

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 um et 0,9 um .

 

Ci-dessous, une image VIS a 0.6 um…

Remarquer le terminateur terrestre, ligne fictive qui sépare les faces éclairée et non éclairée, par le soleil.

Le terminateur sur la terre est un cercle dont le plan est perpendiculaire au plan de l'écliptique et dont la circonférence

est à peu près celle de la Terre lorsque celle-ci est éclairée par le soleil.

Le plan de l'écliptique est incliné, par rapport à l’équateur céleste, d’un angle appelé inclinaison de l'écliptique et qui vaut environ 23,27° ;

cet angle exprime l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport à la normale au plan de son orbite.

L’écliptique et l’équateur céleste se croisent en deux points,

directement en vis-à-vis l’un de l’autre. On appelle équinoxes les moments où le Soleil apparaît à ces points.

À ces moments, jour et nuit durent chacun environ 12 heures, et ceci à tous les endroits du globe terrestre.

Le point sur l’écliptique qui est le plus au nord de l’équateur céleste s’appelle solstice d’été dans l’hémisphère

Nord et solstice d’hiver dans l’hémisphère austral. Ces dénominations sont inversées lorsque le Soleil est le plus au sud de l’équateur céleste.

Autour des équinoxes de printemps et d'automne, le jour et la nuit sont exactement de même durée.

En dehors des régions polaires,

le terminateur passe par n'importe quel point de la surface de la Terre, deux fois par jour : au lever et au coucher du soleil.

MSG2-VIS008_200903141800

La représentation «niveaux de gris» :

L'intensité des informations captées par le satellite MSG est codée numériquement à l'origine sur 10 bits.

Pour des raisons de commodités,

 elle est codée sur l'ordinateur soit sur 8 bits (dégradation de l'information de départ) ou sur 16 bits (comme notre cas).

L'affichage en niveaux de gris se fait par correspondance entre ces derniers, ordonnés le long d'une échelle allant du noir au blanc,

et entre les valeurs enregistrées par le satellite allant d'une valeur minimale à une autre maximale.

Par conséquent, lors de l'affichage d'un canal d'une image, la hiérarchie des niveaux de gris correspond à celle de l'intensité des pixels.

Contrairement à l'affichage en niveaux de gris, aucun ordre parmi celles-ci ne peut être utilisé en correspondance avec la hiérarchie des valeurs des pixels.

La couleur est donc principalement utilisée, dans ce cas, pour améliorer la distinction visuelle des valeurs.

Elle est donc purement arbitraire et ne peut être source d'interprétation. Dans un tel contexte on parle de «pseudo couleur».

Lorsque l'atmosphère est pauvre en vapeur d'eau, ces rayons infrarouges la traversent et parviennent au capteur WV de Météosat Seconde Génération.

Au contraire plus l'atmosphère est chargée de vapeur d'eau, moins ils la traversent.

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.

En mode inversé, plus l'objet est chaud, plus il est noir et plus l'objet est froid, plus il est blanc.

msggris

 

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.

H-000-MSG2__-MSG2________-IR_120___-_________-200903281200

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 50um avec un maximum pour 10um.

Ces longueurs d'onde appartiennent au domaine des infrarouges IR.

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, piègent ainsi cette énergie (effet de serre).

H-000-MSG2__-MSG2________-IR_097___-_________-200903281200

 

Cependant, cette absorption atmosphérique est inégale selon les radiations émises par la terre.

Les infrarouges de longueur d'onde comprise entre 8,5um et 13um traversent bien l'atmosphère.

 

degree

Ce sont eux, entre autres,

que le satellite Météosat capte au moyen de son détecteur IR sensible aux énergies radiatives dans cette plage de longueurs d'onde.

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.

 

Les canaux vapeur d'eau :

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 infrarouges de longueur d'onde comprise entre 5um et 7,5um 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 Vapeur) sensible aux énergies radiatives comprises entre 5,5 et 7,5um.

 

H-000-MSG2__-MSG2________-WV_062___-_________-200903281200

 

Lorsque l'atmosphère est pauvre en vapeur d'eau,

ces rayons infrarouges, la traversent et parviennent au capteur vapeur d’eau (W.V. water vapor) de Météosat Seconde Génération.

Au contraire plus l'atmosphère est chargée de vapeur d'eau moins ils la traversent.

 

precipitation

 

hyg

Apport du canal HRV :

Il est clair que le canal Visible à Haute Résolution HRV, représente une technologie très poussée, avec un intervalle d'échantillonnage amélioré de 1 Km.

H-000-MSG2__-MSG2________-HRV______-_________-200903281200

L'albédo :

Quand les rayons parviennent à la terre une partie de l'énergie qu'ils transportent 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 de la cible réfléchissante.

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 absorbée (30% est réfléchie).

 

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 poly-chromatique).

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 réfléchissant.

 

Pollution de l'air :
Situé au dessus de l'Antarctique, ce "trou" a atteint 10,5 millions de km2 en septembre 1998. Depuis, on a réagi :

 Gaz CFC sont interdits et les scientifiques espèrent une disparition de ce trou d'ici 2050.

Les océans et la croûte terrestre ne sont pas les seuls sous surveillance.

L'atmosphère aussi.

Les satellites ont notamment permis de quantifier la pollution de l'air et sa teneur en gaz à effets de serre.

Les gaz rayonnent :

Comment ?

Chaque gaz possède un rayonnement qui lui est propre.

Pour le repérer, il suffit de chercher sa longueur d'onde avec un capteur adapté.

Les concentrations de CO2, principal gaz à effet de serre, comme du méthane (CH4)

ou du monoxyde de carbone sont évaluées, notamment par les satellites américains Noaa, et Terra.

Cela a permis de voir la hausse de concentration de CO2 dans l'atmosphère depuis 1987.

 

OZONE :

Les satellites ont aussi permis de suivre l'évolution, depuis plus de 25 ans, du fameux trou dans la couche d'ozone. La mesure de la

concentration en ozone se fait grâce à plusieurs bandes spectrales dans les ultraviolets.

Parmi les systèmes les plus connus :

l'instrument Toms (Total Ozone Mapping Spectrometer)

qui équipe de nombreux satellites de la Nasa ou Maestro, sur le satellite canadien Scisat,

l'étude de l'atmosphère passe aussi par celle de ses aérosols, les particules en suspension.

ozone1

 

 

ozone2

 

 

 On utilise pour cela des lidars :

ils fonctionnent sur le principe du radar, mais émettent une onde laser à la place d'une onde radio pour observer et caractériser les aérosols.

Comme le satellite Calipso, du Cnes.

Il devrait être lancé cette année, permettra sûrement de progresser sur ce thème.

Une avancée qui pourrait en annoncer d'autres dans le domaine de l'observation du climat.

 

La télédétection ?

C'est la mesure ou l'acquisition d'informations sur un objet ou sur un phénomène, à distance.

Bien sûr, un intermédiaire, un instrument de mesure, existe, mais il n'a pas de contact avec l'objet étudié.

Ce peut être un appareil photo, un radar, un sonar, un sismographe ou un gravimètre.

Un satellite de télédétection, donc,

est un satellite artificiel, en orbite autour de la Terre, et dont l'objectif principal est l'observation de la planète.

Terres émergées, océans, atmosphère, glaces… tout se mesure depuis le ciel.

 

Tout se mesure, donc, mais comment ?

A bord des satellites,

des appareils embarqués captent et mesurent certains rayonnements en provenance de la Terre ou de son atmosphère

dans diverses longueurs d'ondes, avec diverses résolutions spatiales.

Ces capteurs,  dispositifs sensibles à un phénomène physique, peuvent être passifs, tels les radiomètres.

ils ne font qu'enregistrer l'énergie de rayonnement en provenance du domaine visé.

D'autres sont dits actifs, car ils combinent un émetteur projetant sur ce domaine un rayonnement électromagnétique

 et un récepteur captant la diffusion en retour de ce rayonnement.

C'est le cas des radars (météorologiques ou autres).

De la lumière visible (optique) à l'invisible (infrarouge, ultraviolets),

en passant par toutes les gammes de rayonnement électromagnétique, le spectre d'observation est vaste.

 

La pression :

Pression exercée par unité de surface par les gaz composant l'atmosphère d'un corps céleste au niveau du sol.

Elle est produite par le choc des molécules de ces gaz sur la surface du corps qui la subit.

Sur terre, au niveau du sol, elle est égale à 1Kg par centimètre carré (1 bar ou 1 atmosphère).

hpa

Ces images a titres démonstratifs, issue du système eumetcast, sont sous copyright Eumetsat 2009.

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