Investigation of Convective Updrafts

Les radars et radiomètres installés sur des satellites circulant sur une orbite basse (altitude inférieure à 1 000 kilomètres) sont utilisés pour mesurer la quantité de vapeur d'eau présente dans les nuages. Mais la fréquence d'échantillonnage d'un système nuageux donné (par exemple cyclone) est faible : un satellite donné a rarement l'occasion d'observer un tel système plus d'une fois durant le cycle de vie de cette formation nuageuse. Les mêmes instruments installés sur des satellites géostationnaires (altitude 36 000^kilomètres) ne peuvent observer que la partie supérieure d'un système nuageux tandis que les radars terrestres ne couvrent qu'une région relativement restreinte et ne peuvent effectuer des observations au-dessus de la majeure partie des océans. Les progrès technologiques récents ont permis de miniaturiser les radiomètres et les radars tout en réduisant leur coût, ce qui permet d'envisager la réalisation d'une formation de satellites de faible taille et de coût réduit équipés de ces instruments et circulant en convoi, permettant d'observer avec une fréquence temporelle rapprochée de l'ordre de la minute l'évolution d'un système nuageux. La mission INCUS a pour objectif de mettre en œuvre une telle configuration de trois micro-satellites équipés chacun d'un radar fonctionnant en bande Ka et d'un radiomètre micro-ondes effectuant ses observations dans canaux distincts[1].

La mission INCUS, proposée par Susan van den Heever de l'Université d'État du Colorado de Fort Collins est sélectionnée en 2021 par la NASA pour devenir une mission de la classe Earth Venture. Ces missions de l'agence spatiale américaine sont caractérisées par des coûts faibles associés à des risques élevés et relèvent du domaine de l'observation de la Terre. Le budget de la mission est de 177 millions US$ hors coût de lancement. Plusieurs établissements de la NASA sont impliqués dans le projet tandis que les sociétés Blue Canyon Technologies et Tendeg LLC doivent fournir des composants importants des satellites. Leur lancement est planifié vers 2027[2] - [3].

La mission INCUS portera plus particulièrement sur l'étude des mouvements verticaux au sein des tempêtes. Ces mouvements verticaux jouent un rôle central dans l'intensité des tempêtes, la formation des nuages de l'étage supérieur - et à ce titre dans le changement climatique - et dans la circulation atmosphérique à grande échelle. Malgré leur importance, ces phénomènes sont aujourd'hui très mal pris en compte par les prévisions météorologiques et les modèles climatiques[4].

Les objectifs de la mission sont de déterminer[5] :

• les principales caractéristiques de l'environnement gouvernant la convection des masses d'air au sein des tempêtes tropicales.
• la relation entre les flux d'air convectifs et la formation des cumulonimbus à fort développement vertical.
• la relation entre d'une part les flux d'air convectifs et d'autre par le type et l'intensité des phénomènes météorologiques violents.

Chaque satellite repose sur une plateforme déjà commercialisée par la société Blue Canyon (X-Sat). Le satellite stabilisé 3 axes a une masse d'environ 100 kilogrammes. Des panneaux solaires fournissent environ 190 Watts d'énergie. Les deux instruments embarqués sont[6] :

• Un radar fonctionnant en bande Ka ayant une résolution spatiale horizontale de 3,1 kilomètres et une résolution verticale de 240 mètres avec une fauchée de 9 kilomètres. L'instrument qui est fourni par le Jet Propulsion Laboratory dérive de l'instrument installé à bord du CubeSat RainCube (démonstrateur technologique lancé en 2018). Il a une masse d'environ 7 kilogrammes.
• Un radiomètre micro-ondes (équipe un seul satellite) collectant des données dans les fréquences 87, 165, 174, 178 et 181 GHz. Sa résolution horizontale est de 16 kilomètres et sa fauchée est de 1000 kilomètres. L'instrument qui est fourni par le Jet Propulsion Laboratory dérive de l'instrument installé à bord du CubeSat TEMPEST-D (démonstrateur technologique lancé en 2018). Il a une masse d'environ 3,8 kilogrammes.

Les trois satellites doivent circuler en formation serrée sur la même orbite : le premier satellite équipé d'un radar est suivi, après un intervalle de temps de 30 seconde par le deuxième satellite de la formation. Le troisième satellite, qui est le seul à emporter à la fois un radar et un radiomètre, lui succède 90 secondes plus tard. Cette formation permet de collecter à intervalles rapprochés les caractéristiques d'une tempête. Les données collectées permettent de déterminer l'évolution des flux d'air convectifs. Les satellites bouclent environ 15 orbites par jour. Les latitudes observées dépendront de l'inclinaison orbitale retenue (entre 22,5 et 29°)[6].

Les données recueillies comprennent l'identification les masses de flux d'air convectif avec le recueil d'images tridimensionnelles de la réflectivité et l'observation passive dans 5 canaux micro-ondes. Chaque satellite collectera jusqu'à 2,2 gigaoctets de données[6].