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© R. Lamoureux/CNRS Photothèque

Radar pour calculer la vitesse des gouttelettes d'eau dans les nuages.

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© F. Goutail/CNRS Photothèque

Ballon-sonde pour la surveillance de l'ozone.

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La climatologie est une science gourmande. Elle engloutit d'énormes quantités de données, se nourrit d'une kyrielle de mesures. Tous les moyens sont donc bons – satellite, avion, bateau, ballon-sonde, bouées, appareils au sol – pour récolter des informations physiques, mais aussi chimiques et biologiques sur les océans, l'atmosphère ou la surface terrestre. De la mesure locale à la mesure globale – qui met en évidence des phénomènes à l'échelle de toute la planète –, les climatologues glanent des données à toutes les échelles afin de pouvoir dresser un tableau complet de la dynamique de la Terre. Hervé Le Treut, directeur du Laboratoire de météorologie dynamique (LMD/IPSL) à Paris, insiste sur ce point : « Dans nos modèles, pour valider un comportement à l'échelle de la planète, nous avons besoin des satellites. Mais quand on veut aller plus loin et bien représenter des mécanismes mal connus comme la formation des nuages ou encore l'interaction entre le sol et l'atmosphère, on est obligé de se plonger dans les données in situ ». D'ailleurs, les mesures des satellites n'ont de sens que si elles sont confrontées à des données de terrain. Deux approches complémentaires donc, avec chacune leurs avantages et leurs inconvénients. Ainsi, si les satellites offrent une vision globale des choses, ils ne permettent pas encore de très bien accéder à la structure verticale, couche par couche, de l'atmosphère et de l'océan. De leur côté, les instruments au sol risquent de donner des valeurs aberrantes, ou du moins pas assez représentatives, quand ils sont situés près de sources de « contamination » comme les nuages de pollution dans les villes. L'observation des océans et celle de l'atmosphère montrent bien cette complémentarité entre mesures terrestres et mesures spatiales.

L'océan
Lancé en 1992, le satellite Topex-Poséidon révèle pour la première fois de manière visible la montée des océans : le niveau moyen aurait gagné environ 2,5 mm par an entre 1993 et 2001. C'est l'altimètre¹ embarqué par le satellite qui a mis au jour ce phénomène attribué surtout à la dilatation des océans, elle-même due au réchauffement climatique. Pour obtenir cette donnée, il a fallu soustraire du signal satellitaire les effets dus à la marée. Comment ? Grâce aux marégraphes situés sur les côtes.  Dans l'océan, les courants se créent par des différences de densité. Densité qui varie selon la température et la quantité de sel de l'eau. C'est le moteur de la circulation océanique, dite circulation thermohaline (voir lexique). « L'altimétrie permet d'évaluer la déformation de la surface des océans. Mais celle-ci traduit surtout la présence de courants plus ou moins profonds qu'il s'agit de localiser », explique ainsi Patrick Monfray, directeur du Laboratoire d'études en géophysique et océanographie spatiales (le Legos) à Toulouse. Le satellite doit alors passer le relais aux réseaux d'observation en mer, capables d'analyser l'eau à différentes profondeurs. Des navires marchands d'abord sur lesquels les océanographes ont fait installer des thermo-salinographes mesurant la température et la salinité de l'eau pompée à dix mètres de profondeur. Ainsi la ligne Nouméa-Tokyo fournit des mesures depuis plus de trente ans. « Il est essentiel de pouvoir obtenir de longues séries de données en un même endroit pour suivre les variations sur différentes périodes », précise Gilles Reverdin, chercheur au Laboratoire d'océanographie dynamique et de climatologie (Lodyc/IPSL) de Paris. Une autre technique : les bouées fixes ancrées par une chaîne sur laquelle sont fixés jusqu'à 500 mètres de fond plusieurs instruments de mesure. La plupart de ces mouillages sont mis en place à l'occasion de campagnes d'observation et on les trouve surtout dans les zones équatoriales du Pacifique et de l'Atlantique. Il faut donc reconnaître qu'il existe des « trous » dans le maillage du réseau car bien souvent, les mesures ont débuté il y a peu et la zone à couvrir est immense.
Le programme international Argo² devrait en partie pallier ce manque. Actuellement, il compte quelques mille cinq cents tubes capables de dresser des profils de température et de salinité à diverses profondeurs jusqu'à 2 000 mètres. À terme, trois mille de ces bouées dérivantes seront réparties sur tous les océans.
Si une région n'est pas couverte par des moyens d'observation in situ suffisants et qu'elle est le siège de processus climatiques que les chercheurs veulent mieux comprendre, des campagnes ou des programmes d'étude sont mis en place. Dans un premier temps, quelques observations sur le terrain et l'analyse d'images satellitaires aident à choisir les sites les plus propices. Ensuite, on compare toutes les données recueillies sur place à celles glanées depuis l'espace. Ce fut le cas pour la campagne Sémaphore³ qui s'est déroulée en 1993 dans la région des Açores et utilisait avions, bateaux et bouées dérivantes pour sonder les couches de l'océan et de l'atmosphère. Comme le précise Laurence Eymard, directrice du Lodyc, « nous voulions avoir une meilleure connaissance des échanges d'énergie (chaleur, vent, humidité…) entre l'eau et l'air, et tenter d'améliorer leur représentation à moyenne échelle dans les modèles ». L'océan glacial arctique lui aussi est espionné par les satellites qui suivent l'étendue des glaces de mer. En parallèle, des mesures à la surface de l'océan tentent de cerner les échanges entre l'air et la surface de l'eau, notamment les précipitations et les échanges de carbone.

L'atmosphère
Là encore, données satellitaires et données terrestres sont indissociables. Au sol, les stations de surveillance de l'atmosphère sont indispensables car, comme l'affirme Didier Hauglustaine, chercheur au Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE/IPSL) à Gif-sur-Yvette, « elles permettent de suivre sur la durée, les variations de tel ou tel gaz dans l'atmosphère et de mettre en évidence l'impact des activités humaines dans ce bilan ». Sans les mesures de CO₂ faites à Hawaï dès les années 1950, on n'aurait pas pris conscience si tôt de l'augmentation due à l'homme de ce gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Et sans les observations faites depuis le sol, la formation du « trou d'ozone » au printemps au-dessus de l'Antarctique n'aurait pas non plus été mise en évidence dans les années 1980. Dans le monde, cent vingt stations mesurent les principaux gaz à effet de serre, dont le gaz carbonique et le méthane. Des avions permettent également de dresser des profils de ces gaz jusqu'à 3 000 mètres d'altitude. Le but est d'évaluer, en un lieu donné, les sources d'émission locales et celles plus lointaines. Celles d'origine naturelle et celles attribuables aux activités humaines. Une fois encore, les images des satellites ont leur rôle à jouer. Elles ne peuvent pas donner directement une mesure du CO₂ présent dans l'atmosphère, mais fournissent des informations qui permettent de compléter les données des stations au sol. Ainsi, grâce à la couleur verte caractéristique de la chlorophylle, bien visible depuis l'espace, on tente d'estimer les échanges de carbone entre l'atmosphère et la végétation, et entre l'atmosphère et l'océan où c'est le phytoplancton qui transforme le CO₂ en matière organique. Avec d'autres images, on dresse des cartes globales de l'ozone (voir lexique « Chimie de l'atmosphère ») et des principaux gaz qui lui donnent naissance comme le monoxyde de carbone ou les oxydes d'azote. Même les modèles, qui permettent d'appréhender certains phénomènes climatiques, ont besoin des images satellitaires pour être validés. « Ce sont les modèles qui ont permis de mettre en évidence le comportement global des aérosols [ces particules de l'ordre du micromètre que l'on retrouve dans l'atmosphère] », note Olivier Boucher, chercheur au Laboratoire d'optique atmosphérique de Villeneuve-d'Ascq. Mais leurs résultats doivent toujours être comparés aux mesures fournies par le satellite. Pour les scientifiques, il faut d'abord estimer les émissions totales d'aérosols, en connaissant les principales sources humaines et naturelles, avant de simuler leur répartition sur le globe et de la comparer aux données recueillies par des instruments embarqués sur satellite tels Polder. Tout indispensable qu'il soit, le satellite ne suffit pas. Au sol et en avion, des systèmes permettent de sonder l'atmosphère couche par couche. Il y a les lidars qui émettent une onde laser pour observer et caractériser les aérosols et les radars pour mesurer les propriétés des nuages4. Mais comme le reconnaît Cyrille Flamant, du Service d'aéronomie, « on ne dispose pas d'observations à haute résolution de la distribution verticale des aérosols et de la couverture nuageuse à l'échelle globale ». L'idéal pour les chercheurs serait d'équiper les satellites des instruments utilisés au sol. Le satellite Calipso⁵, équipé d'un lidar, qui devrait être lancé l'année prochaine, permettra sûrement de progresser sur ce thème. Une avancée qui pourrait en annoncer d'autres dans le domaine de l'observation du climat.

Julien Bourdet