Des nanosatellites pour observer la Terre à haute fréquence

Jamais la Terre n’a été autant observée. Depuis l’espace, les satellites documentent déjà une grande partie des variables climatiques essentielles : température des océans, évolution des glaces, humidité des sols, couverture nuageuse, bilan radiatif ou concentrations de gaz à effet de serre.

Mais certains phénomènes évoluent beaucoup plus rapidement. Un système convectif peut se développer en quelques heures, un panache d’aérosols peut se former puis être transporté sur plusieurs centaines de kilomètres, une émission de méthane apparaître puis disparaître, tandis qu’un incendie ou une inondation peuvent évoluer fortement entre deux observations.

L’enjeu n’est alors plus seulement de mesurer avec précision, mais de mesurer suffisamment souvent pour restituer la dynamique des phénomènes.

Vers un suivi dynamique des phénomènes rapides

Une constellation permet de multiplier les observations d’une même région et, selon son architecture, de réduire le délai entre deux passages à quelques heures. Cette forte revisite permet de suivre différentes phases d’un phénomène plutôt que d’en obtenir seulement quelques instantanés : formation et évolution des nuages, propagation d’un panache de fumée ou d’aérosols, apparition d’une émission de gaz, progression d’un feu ou évolution d’une zone inondée.

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La performance d’une constellation dépend cependant étroitement de ses instruments et de son architecture orbitale. Un instrument observant une zone étroite autour de la trace au sol nécessite davantage de satellites qu’un système capable de couvrir une large fauchée ou d’effectuer des observations hors nadir.

Concevoir une constellation revient donc à trouver le meilleur compromis entre résolution spatiale, sensibilité des instruments, largeur de champ, capacité de pointage et fréquence de revisite.

Suivre le cycle quotidien de l’énergie terrestre

Le bilan radiatif de la Terre évolue durant la journée sous l’effet de la couverture nuageuse, de la température, de la vapeur d’eau ou encore des propriétés des surfaces. Une constellation répartie sur plusieurs plans orbitaux multiplierait les observations à différentes heures locales et de mieux échantillonner cette variabilité.

L’objectif est notamment de mieux suivre le cycle diurne du bilan radiatif, l’évolution de la couverture nuageuse et le développement des systèmes convectifs. La dimension temporelle devient alors une information scientifique à part entière.

INSPIRE-SAT 7 a été lancé le 15 avril 2023 pour mesurer le bilan radiatif de la Terre. © Université Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)

Suivre le méthane et le CO₂

La forte revisite présente également un intérêt majeur pour l’observation des gaz à effet de serre. Certaines émissions de méthane provenant d’installations pétrolières et gazières, de mines ou de gazoducs peuvent être intermittentes et ne durer que quelques heures. Des observations plus fréquentes augmentent la probabilité de détecter une anomalie, d’en rechercher la source et d’en suivre l’évolution.

Pour le CO₂, plusieurs observations lors d'une même journée pourraient permettre de mieux caractériser la variabilité des concentrations au-dessus des grandes agglomérations, des zones industrielles ou de certaines sources d’émission. Associées aux données météorologiques, notamment aux champs de vent, ces mesures permettraient également de mieux suivre le transport et la dispersion des panaches atmosphériques.

Des satellites plus autonomes

Cette nouvelle génération de systèmes spatiaux reposera aussi sur une autonomie accrue à bord. Les nanosatellites pourront analyser une partie des données directement en orbite afin d’identifier les observations les plus pertinentes : couverture nuageuse, anomalie thermique, panache atmosphérique ou changement rapide d’une scène.

L’intelligence artificielle embarquée pourrait sélectionner les données prioritaires, adapter certaines acquisitions et accélérer la transmission des informations utiles vers le sol. Cette capacité prend toute sa dimension lorsque plusieurs satellites travaillent ensemble. À terme, la détection d’un phénomène par un premier satellite pourrait conduire à programmer ou orienter de nouvelles observations par d’autres satellites de la constellation. Le système deviendrait alors un véritable réseau d’observation coordonné et réactif.

De l’observation à l’information scientifique

Au sol, les données recueillies peuvent être croisées avec d’autres observations spatiales, des mesures météorologiques, des modèles numériques ou des informations acquises sur le terrain. L’enjeu est de transformer une succession de mesures en une information scientifique exploitable : caractériser un phénomène, suivre son déplacement, identifier une anomalie et orienter de nouvelles observations.

Les démonstrateurs universitaires comme UVSQ-SAT NG permettent de préparer cette évolution en testant en orbite des instruments miniaturisés, des stratégies de pointage, des méthodes d’étalonnage et de traitement des données. De mission en mission, les technologies gagnent en maturité : instruments, communications, contrôle actif du pointage, opérations de plusieurs charges utiles, traitement des données et autonomie du satellite. L’étape suivante consiste à concevoir des architectures permettant à plusieurs nanosatellites de coopérer et d’adapter leurs observations aux phénomènes détectés.

En combinant miniaturisation, autonomie, agilité et forte revisite, ces futurs systèmes pourraient transformer notre manière d’observer la Terre : non plus seulement mesurer avec précision son état à un instant donné, mais suivre plus finement la manière dont son atmosphère, ses surfaces et son bilan énergétique évoluent au cours du temps.