Aqua (satellite)

Le réchauffement climatique, l'élévation du niveau de la mer, la désertification, la destruction de la couche d'ozone, les pluies acides, la diminution de la biodiversité sont autant d'exemples de changements environnementaux qui touchent de manière croissante la planète. Le bien-être de l'humanité repose de plus en plus sur notre capacité à comprendre les facteurs à l'origine de ces phénomènes de manière à pouvoir prédire leurs impacts futurs et prendre les mesures appropriées permettant de prévenir une aggravation de la situation. C'est ainsi que les recherches scientifiques sur l'ozone stratosphérique dans les années 1970 débouchent en 1987 sur le protocole de Montréal imposant la suppression de l'utilisation des chlorofluorocarbure (CFC) dans le but d'arrêter la destruction de la couche d'ozone[2].

Ce constat est à l'origine d'une initiative du président des États-Unis approuvée par le Congrès américain qui débouche sur la création en 1990 du NASA Earth Science Enterprise (ESE) destiné à mieux comprendre les changements environnementaux en réalisant des mesures à l'aide d'instruments installés à bord d'engins spatiaux, installés au sol et aéroportés. Le programme ESE constitue la contribution de la NASA à un programme américain plus global le US Global Change Research Program (USGCRP). Le programme Earth Observing System (EOS) constitue le cœur de l'ESE. Ses objectifs sont de déterminer l'étendue, l'origine et les conséquences régionales des changements climatiques globaux. Il étudie le cycle de l'eau et de l'énergie, les océans, la chimie de la troposphère et de la basse stratosphère, l'hydrologie au sol et les processus des écosystèmes, les glaciers et la calotte polaire , la chimie des couches moyenne et haute de la stratosphère, la terre solide[3].

Le programme EOS comprend un volet scientifique, un programme de gestion des données collectées et un segment spatial comprenant plusieurs satellites circulant sur une orbite polaire En 1988, la NASA lance un appel à contributions pour la sélection de 30 instruments embarqués et des équipes scientifiques. À la suite de contraintes budgétaires imposées par le Congrès, le programme est restructuré en 1991-1992 et le budget est divisé par deux ce qui entraîne l'élimination de l'instrument HIRIS et la réduction du nombre total d'instruments à 17. De plus, les satellites voient leur taille revue à la baisse. Le programme subit une nouvelle baisse de budget (9%) en 1994 qui entraîne l'élimination de la mission embarquant un radar et un altimètre laser (deux missions distinctes embarquent ces instruments par la suite). Ces réductions budgétaires entraînent également un abaissement de la fréquence des lancements de 5 à 6 ans tandis que certains instruments embarquent sur des missions des partenaires de la NASA (NASDA, RKA, CNES, ESA). Certains des instruments sont finalement développés par des partenaires internationaux (instruments ASTER, MOPITT, HSB, OMI) ou dans le cadre d'un partenariat avec le Royaume-Uni (HIRDLS). Il est prévu de développer trois séries de missions : satellites du matin (franchissant la ligne des nœuds le matin), satellites de l'après-midi et satellites destinés à l'étude de la chimie atmosphérique. En 1999, cette planification est affinée et la construction des satellites suivants est lancée : Landsat 7, QuikSCAT, Terra, ACRIMSAT, Aqua, Aura et ICESat[3].

Le centre de vol spatial Goddard est le centre de recherche de la NASA gestionnaire de la mission. Le satellite est construit par TRW (devenu par la suite Northrop Grumman) situé à Redondo Beach en Californie. Le nom Aqua vient du mot latin pour Eau.

Schéma de l'instrument MODIS.

MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) est un radiomètre imageur à résolution moyenne pour mesurer les propriétés des nuages et les flux d'énergie radiative. Il note en plus les propriétés des aérosols, la couverture et le changement d'utilisation des sols ainsi que la détection des incendies et des éruptions volcaniques. Il enregistre des données dans 36 bandes spectrales allant de 0,4 à 14,4 μm avec une résolution spatiale de 250 m à 1 km. Ensemble, les différents spectromètres prennent une image complète de la Terre tous les 1 ou 2 jours. MODIS est conçu pour fournir des mesures à grande échelle de phénomènes globaux, tels que les variations de la couverture nuageuse terrestre, le bilan radiatif de la Terre et différents processus se passant dans les océans, sur le sol, et dans la basse atmosphère. L'instrument est également installé à bord du satellite Terra autre mission du programme Earth Observing System mis en orbite en décembre 1999. Les deux instruments fournissent des informations complémentaires. Alors que Terra passe à l'équateur à 10 h 30 locales sur un nœud descendant Aqua passe à l'équateur à 13 h 30 en nœud ascendant[5] - [6].

MODIS possède un demi-angle d'ouverture de 55° d'où une fauchée de 2 330 km et une couverture journalière globale. Il effectue les différentes mesures grâce à un ensemble de capteurs CCD. Il possède 36 canaux spectraux répartis du violet (405 nm) à l'infrarouge thermique (14,385 µm). Ces canaux sont choisis pour répondre aux différentes missions[5] - [6] :

• étude des gaz.
• étude des aérosols.
• étude des nuages.
• étude de la surface terrestre (végétation).

La résolution spatiale de MODIS dépend des canaux utilisés, elle varie entre :

• • 250 × 250 m
  • 500 × 500 m
  • 1 000 × 1 000 m

AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) est une sonde infrarouge à haute résolution dont l'objectif principal est la mesure de la température et l'humidité atmosphérique depuis la surface jusqu'à une altitude de 40 km. L'instrument mesure le rayonnement dans 2 382 longueurs d'onde distinctes sont 2 378 dans l'infrarouge (entre 3,74 et 15,4 μm) et quatre en lumière visible / proche infrarouge (0,4-1,1 μm). La résolution spectrale est de 1 200. La résolution spatiale horizontale va de 13,5 (en infrarouge) à 2,3 km (en lumière visible) au nadir sous le satellite. La résolution spatiale verticale est de 1 kilomètre. La fauchée est 1 650 kilomètres. Les capteurs de l'instrument sont composés de photomètres pour le rayonnement visible / proche infra et de 11 spectromètres à fente pour l'infrarouge. Les détecteurs infrarouge sont refroidis à une température de 58 kelvins par un cryo-refroidisseur Stirling à deux étages. Un miroir mobile permet de collecter le rayonnement de part et d'autre de la trace au sol du satellite. AIRS mesure 1,17 x 80 x 95,3 cm en position repliée et sa masse est de 177 kg. Il consomme en fonctionnement 220 watts. Le volume de données générées est de 1,27 gigabits par seconde. AIRS dérive des instruments HIRS et MSU embarqués à bord des satellites POES de la NOAA. L'instrument est fabriqué par BAE Systems pour le compte du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Les mesures effectuées par AIRS sont avant le lancement du satellite réalisées à l'aide de lâchers de ballons et d'instruments embarqués à bord de satellites mais avec une couverture très partielle au-dessus des océans, an Afrique, en Asie et en Amérique du sud. AIRS doit assurer une couverture complète du globe avec une résolution spatiale améliorée d'un facteur 3[5] - [7].

AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit) est un capteur micro-ondes qui effectue des mesures de la température de l'atmosphère complémentaires de celle de AIRS. AMSU est un radiomètre à micro-ondes mesurant 15 longueurs d'onde. Il comprend en fait deux instruments AMSU-A1 (13 canaux) et AMSU-A2 (2 canaux). L'instrument a une masse de 91 kg et consomme 101 watts. Le volume de données générées est de 2 kilobits par seconde. AMSU-A est fabriqué par Aerojet et sa réalisation est supervisée par le centre de vol spatial Goddard[5] - [8].

HSB (Humidity Sounder for Brazil ) est un instrument qui utilise la bande VHF pour effectuer des mesures de l'humidité atmosphérique complémentaires de celle de AIRS. HSB est un radiomètre micro-ondes qui mesure le rayonnement atmosphérique pour en déduire la quantité de vapeur d'eau et détecter les précipitations sous les nuages avec une résolution horizontale au nadir de 1,5 km. L'instrument effectue un sondage passif dans quatre longueurs d'onde comprises entre 150 et 190 GHz de la couche atmosphérique comprise entre la surface et une altitude de 42 km. HSB dérive de l'instrument AMSU-B développé par Matra Marconi Space avec une participation de Equatorial Sistemas du Brazil. HSB a une masse de 51 kg et consomme 154 watts. Il mesure 70 cm x 65 cm x 46 cm. Le volume de données générées est de 4,22 kilobits par seconde. L'instrument est fourni par le centre de recherche spatial brésilien Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)[5] - [9].

Les deux instruments identiques CERES embarqués à bord de Aqua.

CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System) mesure le bilan radiatif de la Terre et fournit des informations sur les nuages qui permettent de déterminer le rôle de ceux-ci dans les flux radiatifs qui partent de la surface en direction du sommet de l'atmosphère. CERES emporte deux instruments identiques. Le premier collecte des données selon le mode déjà utilisé par les instruments similaires (ERBE et TRMM) pour assurer une continuité par rapport aux mesures effectuées. Le deuxième utilise un mode bi-axial, qui fournit des informations plus complètes[10].

L'instrument est un radiomètre qui mesure le bilan radiatif de la Terre dans trois bandes spectrales : mesure de la lumière du Soleil réfléchie en proche infrarouge et lumière visible (0,3-5 microns) avec une précision de 1%, mesure du rayonnement émis par la Terre y compris la vapeur d'eau dans l'infrarouge lointain (8-12 microns), mesure du rayonnement global réfléchi ou émis par le système atmosphère-Terre dans la longueur d'onde 0,35-125 microns avec une précision de 0,3 % La résolution spatiale est de 10-20 km au nadir. L'instrument comprend un télescope de type Cassegrain et un détecteur de type bolomètre. Les deux instruments ont globalement une masse de 100 kg et consomment 103 watts. Ils génèrent ensemble 20 kilobits de données par seconde. La durée de vie prévue est de 6 ans[11].

CERES est développé par le centre de recherche Langley, un des établissements de la NASA qui détient une forte expertise sur le sujet acquise en réalisant la première version de CERES embarqué à bord de Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) lancé en 1997 et Terra (1999) également développé pour le programme EOS. Des instruments identiques sont également embarqués par la suite à bord du satellite de Suomi NPP (2011) et JPSS-1 (2017)[12].

AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS) est un radiomètre à micro-ondes, fourni par l’Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA), pour la mesure des précipitations, les propriétés des nuages, la température de surface de la mer, de la vitesse du vent près du sol, du flux d'énergie radiative entre la surface de l'eau, la glace et la neige. L'instrument est un radiomètre passif effectuant des mesures dans 6 fréquences comprises entre 6,9 et 89 GHz. Le rayonnement polarisé verticalement et horizontalement est mesuré de manière séparée. La collecte du rayonnement s'effectue avec une antenne parabolique de 1,6 mètre de diamètre qui tourne avec une vitesse de 40 tours par minute. L'instrument balaye une zone de 1 445 kilomètres de large de part et d'autre de la trace au sol du satellite. La résolution spatiale est de 10 x 10 kilomètres. L'instrument AMSR-E mesure 1,95 m x 1,7 m x 2,4 m et le boîtier électronique associé mesure 0,8 m x 1,0 m x 0,6 m. L'instrument a une masse de 314 kg. Il consomme en fonctionnement 350 watts. Le volume de données générées est de 87,4 kilobits par seconde. L'instrument, qui est une évolution de l'instrument AMSR embarqué à bord du satellite japonais ADEOS-II, est construit par la société japonaise Mitsubishi[5] - [13].

• (en) NASA, AQUA Press Kit, NASA, avril 2002, 29 p. (lire en ligne) — Présentation à la presse de la mission.
• (en) Centre de vol spatial Goddard, AQUA, NASA, mars 2002, 44 p. (lire en ligne) — Brochure illustrée détaillant plus particulièrement l'instrumentation .

• Cycle de l'eau.
• Terra.
• Aura.
• A-train.
• Earth Observing System.

• (en) Site officiel de la NASA.
• (en) Page consacrée à AQUA sur le portail de l'ESA.