Dossier : Climat   
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SeaWiFS et la couleur de l'océan


Extrait de la Lettre n°8 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

 

 



1- Le satellite SeaStar
en vol. Cette illustration
provient du serveur du
Projet SeaWiFS sur Internet,
(http://seawifs.gsfc.
nasa.gov/SEAWIFS.html
)
avec l'autorisation du Projet
SeaWIFS)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



2- Image de la biosphère globale (concentration en chlorophylle a pour les océans, indice de végétation normalisé pour les terres émergées) vue par SeaWiFS (données moyennées sur la période du 4 septembre au 31 décembre 1997).

 

 


SeaWiFS est devenu opérationnel depuis septembre 1997, apportant des informations très attendues entre autres sur la biosphère marine. C’est sur ce thème que les équipes françaises sont particulièrement impliquées.


L'instrument SeaWiFS
L'instrument SeaWiFS a été lancé sur le satellite Seastar par Orbital Sciences Corporation (OSC) en août 1997, et observe maintenant la Terre depuis une orbite héliosynchrone, à une altitude de 705 km, et avec une résolution spatiale de 1 km (figure 1). Le capteur "voit" chaque point de la planète au minimum (c. à d. à l'Equateur) un jour sur deux; si l'on prend en compte la perte de données due à la couverture nuageuse, la couverture globale de la planète est assurée en une semaine environ. L'instrument comporte six canaux dans le visible (412, 443, 490, 510, 555, 670 nm) et deux dans l'infra-rouge (765, 865 nm).SeaWiFS, successeur du capteur CZCS

Le succès du capteur expérimental CZCS, qui a fonctionné de 1978 à 1986, a largement contribué à faire connaître les applications potentielles de la couleur de l'océan dans l'étude de la biosphère marine et de l'atmosphère, des couplages entre processus physiques et biologiques, dans la compréhension du rôle de l'océan dans le cycle global du carbone etc... Les données acquises par les capteurs POLDER (voir " POLDER "), et OCTS de novembre 1996 à juin 1997 sur la plate-forme ADEOS ont confirmé ce potentiel.

Par rapport à CZCS, l'instrument SeaWiFS (comme la plupart des nouveaux capteurs de couleur de l'océan) bénéficie de nombreuses améliorations : précision radiométrique bien supérieure, suivi de la calibration, acquisition de données en continu... De plus, la disponibilité de nouveaux canaux dans le visible et l'infra-rouge a suscité de nombreuses études afin d'exploiter au mieux l'information apportée par ces nouveaux canaux, tant pour les corrections atmosphériques (développement de procédures de correction utilisant les canaux infra-rouges) que pour les algorithmes "bio-optiques" (par exemple, développement d'algorithmes adaptés aux eaux côtières turbides, dites "du Cas 2").

Disponibilité des données
L'équipe du projet SeaWiFS de la NASA reçoit de OSC (dans le cadre d'un contrat de 5 ans) les données brutes, et a la responsabilité du traitement, de la calibration / validation, de l'archivage et de la distribution des données, cela uniquement à des fins de recherche, OSC se réservant les droits pour l'exploitation opérationnelle et commerciale. Les images de la biosphère globale fournies par le capteur durant les premiers mois de fonctionnement ont été mises à disposition de la communauté scientifique par la NASA sur Internet. Depuis mars 1998, les données sont cryptées, et fournies par la NASA (toujours uniquement à des fins de recherche) à ceux qui ont soumis une "Dear Colleague Letter" et sont devenus "utilisateurs autorisés" (il n'y a pas de date limite pour la soumission de cette lettre).

En outre, le Projet SeaWiFS possède huit "licences flottantes" pour des accords temporaires (de trois mois maximum). Ces accords permettent la distribution de données en temps quasi-réel, à partir de stations sol "HRPT" ("transmission d'images à haute résolution"), données qui sont fournies aux utilisateurs autorisés en support à des expériences sur le terrain (par exemple, positionnement des stations durant les campagnes en mer), des expériences de calibration / validation, et des démonstrations d'utilisation des données. Les stations HRPT habilitées par la NASA sont réparties sur toute la planète, assurant une couverture haute résolution quasi - totale de l'Hémisphère Nord, et d'une partie importante de l'Hémisphère Sud.

Les produits
Les produits opérationnels et les "catalogues d'images" ("browse products") sont disponibles à diiférents niveaux de traitement :

 

  • niveau 1A : comptes numériques correspondant aux luminances brutes mesurées par le capteur dans chaque canal, avec les données de télémétrie, calibration et navigation associées. Ces données sont fournies en mode LAC (pleine résolution, 1 km) ou en mode GAC (résolution réduite : les données sont échantillonnées à partir des données LAC, à raison d'un pixel sur 4 et d'une ligne sur 4).
  • niveau 2 : paramètres géophysiques, issus du niveau 1A par application des facteurs de calibration, des corrections atmosphériques, et des algorithmes bio-optiques. Douze paramètres (avec les "flags" associés) sont disponibles pour chaque pixel : luminances marines dans les cinq premiers canaux du domaine visible, luminances des aérosols à 670 et 865 nm, concentration en pigments "type CZCS", concentration en chlorophylle a, coefficient d'atténuation diffuse à 490 nm, paramètre "epsilon" lié à la dépendance spectrale de la diffusion par les aérosols, épaisseur optique des aérosols à 865 nm. Ces valeurs sont fournies en mode GAC.
  • niveau 3 dit "binned" : données GAC de niveau 2, moyennées sur 1 jour, 8 jours, un mois ou une année, et projetées sur une grille (avec des pixels d'égale surface, 81 km2 environ).

 

D'autres produits, comme les données météorologiques (quasi-simultanées, ou climatologiques) utilisées pour le traitement des données de niveau 2 (vent, pression atmosphérique, concentration en ozone, humidité relative) sont également disponibles.

La qualité des données
La qualité des données et produits SeaWiFS est continuellement contrôlée par la mise en œuvre de procédures de calibration très précises, et par un programme de calibration / validation. Le système de calibration à bord comprend un diffuseur solaire visant le soleil, ce qui permet de calibrer le capteur relativement à l'éclairement solaire, et de contrôler (en supposant le diffuseur parfaitement stable) une dérive possible du capteur. En réalité, ce diffuseur étant exposé en permanence aux rayonnements visibles et UV, sa dégradation doit également être contrôlée; ce suivi est effectué par des visées régulières vers la surface de la lune, utilisée comme un diffuseur secondaire et temporellement stable.

En parallèle, un vaste programme de calibration/validation a progressivement été mis sur pied par l'équipe du Projet SeaWiFS; il consiste essentiellement en un soutien apporté à des opérations sur le terrain, dans plusieurs régions de l'océan mondial, par différents groupes qui se conforment aux protocoles définis pour SeaWiFS pour les mesures in situ. Parmi les projets en cours actuellement, il faut mentionner en particulier la bouée MOBY au large de Hawaii, la bouée PlyMBoDy au large de Plymouth, les campagnes AMT dans l'Atlantique, la plateforme au large de Venise... Par ailleurs, des études concernant le développement, l'intercomparaison et la validation des algorithmes ont été effectuées au cours d'ateliers de travail (Atelier sur les algorithmes de Production Primaire en janvier 1995, Atelier SEABAM pour l'intercomparaison des algorithmes bio-optiques en décembre 1996 ...), ainsi que des exercices de "round-robin"; enfin, une base de données bio-optiques (SeaBASS, "SeaWiFS Bio-Optical Archive and Storage System") a été développée par la NASA.

L'étude de la biosphère marine et terrestre
La qualité des images acquises par SeaWiFS confirme l'énorme potentiel de ce capteur (figure 2, noter que sa dynamique élevée permet également l'analyse de la réflectance de la végétation terrestre). Des projets variés ont été soumis à la NASA par la communauté internationale pour l'interprétation et l'exploitation des données SeaWiFS à diverses échelles d'observation (de l'échelle régionale jusqu'à celle des bassins océaniques et de l'océan mondial).

Le projet français "Utilisation des données SeaWiFS pour cartographier et modéliser les flux de carbone globaux", approuvé par la NASA et réactualisé en avril 1997, est un projet conjoint, coordonné par André Morel , et impliquant trois laboratoires :
- le LODYC à Paris,
- le LEGOS à Toulouse,
- le LPCM à Paris et Villefranche.

L'objectif général de ce projet est d'utiliser les concentrations en pigments, évaluées à partir des données SeaWiFS, pour estimer :
- le taux de fixation de carbone dans l'océan (via des modèles de lumière - photosynthèse),
- l'échange de CO2 à l'interface océan - atmosphère,
- le flux de carbone organique quittant la couche océanique superficielle,
cela à l'aide de différentes techniques (mise en oeuvre de modèles de circulation globaux contraints par les vents et les concentrations en chlorophylle, assimilation dans des modèles couplés physiques- biogéochimiques..).

Dans le cadre de ce projet, ces techniques seront mises en œuvre, et les données SeaWiFS seront exploitées, pour différentes zones de l'océan mondial (océans Indien et Austral, Pacifique tropical, Atlantique Nord, Méditerranée).


Avec le lancement prochain de plusieurs capteurs de couleur de l'océan (dont MODIS durant l'été 1998, MERIS fin 1999, GLI et POLDER-2 en 2000), SeaWiFS ouvre également la voie aux futures missions. Plusieurs capteurs de couleur de l'océan seront simultanément en orbite, ainsi que d'autres capteurs (altimètres, diffusiomètres, radiomètres infra-rouges) qui fourniront des informations sur les forçages physiques. L'un des objectifs majeurs de ces missions futures, soutenu par le projet américain SIMBIOS ("Sensor Intercomparison and Merger for Biological and Interdisciplinary Oceanic Studies"), sera d'utiliser l'ensemble de ces données de façon conjointe et synergique, afin d'acquérir une vision la plus complète possible de l'océan mondial.


Contact :
Annick Bricaud
Laboratoire de Physique et Chimie Marines,
Université Pierre et Marie Curie and CNRS
BP 8, 06238 Villefranche-sur-Mer Cedex
annick@ccrv.obs-vlfr.fr



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