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Parasol, le satellite discret qui a si bien étudié les nuages

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Le petit satellite Parasol du Cnes arrive au terme de sa mission. Conçu pour fonctionner un an en orbite, il aura tenu neuf années. Même s'il est resté discret dans les médias (il avait pour but d'étudier les nuages et les aérosols), son apport à la connaissance de la machine climatique est déterminant. Rencontre avec Didier Tanré, le responsable scientifique de la mission au laboratoire d'Optique atmosphérique.

Vue d'artiste du satellite Parasol (polarisation et anisotropie des réflectances au sommet de l’atmosphère, couplées avec un satellite d’observation emportant un lidar) du Cnes, qui achève sa carrière. © Cnes, D. Ducros

Un peu plus de neuf ans après son lancement, le satellite Parasol a achevé sa mission avec succès, dépassant ses objectifs scientifiques et la durée pour laquelle il a été conçu. Parasol avait pour objectif de mesurer la lumière solaire réfléchie par les nuages et les aérosols afin de mieux comprendre le rôle de ces deux éléments sur le climat et d'affiner les modèles climatiques.

Construit par un consortium d'industries européennes sous la maîtrise d'œuvre du Cnes, Parasol utilise la plateforme Myriade. Sa charge utile s'inspire de l'instrument Polder, qui a volé sur le satellite japonais Adeos, lancé en août 1996. Elle est constituée d'une caméra numérique composée d'une matrice de détection CCD de 274 x 242 pixels, d'une optique télécentrique à grand champ de vue et d'une roue porte-filtres dont la rotation permet l'acquisition d'images à plusieurs longueurs d'onde et suivant plusieurs directions de polarisation.

Épaisseur optique des aérosols déduite des données du satellite Parasol. Les valeurs reportées sont des moyennes (à la longueur d’onde 865 nm) sur les mois de septembre, octobre et novembre et sur cinq années, de 2005 à 2009. Émerge la pollution urbaine et industrielle asiatique (principalement en Chine et en Inde), à laquelle s’ajoutent la culture sur brûlis et la déforestation en Afrique centrale, en Amazonie et en Indonésie. L’épaisseur optique est ici essentiellement reliée à la présence d’aérosols dans le mode d’accumulation (particules de rayon inférieur à 0,5 µm). Figure extraite de l’ouvrage Le climat à découvert, sous la direction de Catherine Jeandel et Rémy Mosseri. © Rémy Mosseri, Catherine Jeandel et al., CNRS éditions, 2011

L’origine des nuages et des aérosols

De très petite taille (60 centimètres de côté pour une hauteur de 80 centimètres, sa masse au lancement étant de 120 kg), Parasol a été lancé par une Ariane 5G en décembre 2004 et placé en orbite à 705 km d'altitude au sein de l'A-Train, une constellation unique de satellites de la Nasa et du Cnes dédiée à l'observation de la Terre.

Cette mission n'a pas révolutionné nos connaissances, « ce satellite s'ajoutant à d'autres missions », nous explique Didier Tanré, le responsable scientifique de la mission au laboratoire d'Optique atmosphérique. Ce n'était d'ailleurs pas son but. « On ne partait pas de zéro ! » Cela dit, si ce n'est pas la première mission dédiée à l'observation des nuages et des aérosols à partir de mesures passives, c'est la première qui « mesure la polarisation dans plusieurs longueurs d'onde et selon plusieurs directions ». D'un point de vue purement technique, c'est une belle performance. « Il y aura un avant et un après Parasol. »

Côté science, l'apport de Parasol est loin d'être anodin. Comme nous l'explique Didier Tanré, Parasol apporte « des informations sur les processus » qui conditionnent les nuages et les aérosols. Il fournit « des données qui n'étaient pas accessibles auparavant » sur leurs propriétés et apporte donc « une contribution significative à la connaissance du cycle des nuages et des aérosols » qui interviennent dans la machine climatique.

Lien direct avec le changement climatique

Il aide également à mieux comprendre les interactions entre les nuages, les aérosols et le réchauffement climatique. C'est d'autant plus important que ces deux variables participent à l'évolution du climat de diverses manières et contribuent « aux incertitudes des projections futures ». Ce qu'il faut comprendre, c'est qu'en arrêtant la lumière solaire, les nuages bas ont un effet refroidissant (effet parasol) important et un faible effet de serre. C'est l'inverse pour des nuages hauts et fins comme les cirrus. Avec Parasol, il est donc possible de « valider les modèles climatiques avec des observations ».

Illustration de la capacité de Parasol à détecter et quantifier la présence d'une couche d'aérosols au-dessus de zones nuageuses. Cas du panache d'aérosols émis par le volcan Eyjafjallajökull le 8 mai 2010. L'échelle de couleur représente l'épaisseur optique à 550 nm liée à la concentration en particules. © Adapté de F. Waquet et al., Atmospheric Chemistry and Physics, 2014

Concrètement, à partir de la mesure de la polarisation, il a été possible d'identifier la phase des nuages, « c'est-à-dire leur composition, gouttes d'eau ou cristaux de glace », et de distinguer le type d'aérosols auquel on a affaire. Les projections sur la rétroaction du changement climatique, « pour savoir si le changement climatique entraîne plus de cirrus ou plus de nuages bas », ont un impact direct sur l'avenir de la couverture nuageuse, le type et la répartition des nuages et leurs conséquences. Le tout dans un contexte de réchauffement global.

Observation de la lumière réfléchie et absorbée par les aérosols

Enfin, les découvertes les plus inattendues sont à chercher dans l'interprétation des données. Les mesures étaient « si précises et peu bruitées » que les scientifiques sont arrivés à « remonter à des paramètres que l'on n'espérait pas au départ » et trouver « des informations auxquelles on ne s'attendait vraiment pas ». Si l'on ne devait retenir qu'une chose spécifique à cette mission par rapport à des missions équivalentes, ce serait cela. Autrement dit, les autres missions n'ont pas les mesures nécessaires pour parvenir à ce résultat.

Autre avancée : il est possible de mesurer la lumière réfléchie et absorbée par les aérosols, et donc de remonter à l'absorption propre des particules. « Un phénomène que l'on ne pensait pas observable » et qui joue un rôle direct dans l'effet de serre.

Les résultats scientifiques de ces premières mesures quotidiennes de l'ensemble de la surface du globe ont convaincu l'Esa d'européaniser le successeur de Parasol. Ce sera l'instrument 3MI, un polarimètre imageur conçu comme une suite opérationnelle, qui sera embarqué sur les satellites Metop de seconde génération à l'horizon 2020. Pour les chercheurs qui ont participé aux missions Polder et Parasol, c'est une belle récompense : en effet, tous les instruments de recherche n'évoluent pas vers un mode opérationnel. À l'avenir, 3MI fournira à ses utilisateurs des données et des produits directement exploitables.

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