Vue d'artiste du satellite MicroCarb qui sera lancé en 2021 avec comme objectif de mesurer le CO2. Son unique instrument sera capable de fournir des mesures de concentration de dioxyde de carbone avec une précision de 1 ppm et les émissions de ce gaz produites par les usines, les villes, la végétation et les océans. © Cnes, Olivier Sattler
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MicroCarb, le premier satellite européen de mesures du CO2 dans le monde

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Le dioxyde de carbone (CO2) est le principal gaz à effet de serre. Mais, encore aujourd'hui, on ne connaît pas les quantités absorbées et émises dans certaines régions du monde. C'est un réel souci pour les prévisionnistes du climat. En 2021, la France lancera le satellite MicroCarb qui contribuera à réaliser les mesures manquantes et à mieux contrôler les émissions anthropiques, notamment dans le cadre des mesures de quotas mis en place par l'Union européenne. 

Aujourd'hui, les objectifs de l'Accord de Paris en matière de réduction des gaz à effet de serre, dont le dioxyde de carbone (CO2), ne seront vraisemblablement jamais atteints. Au vu de la trajectoire que prend la hausse de la température moyenne, il ne fait guère de doute qu'elle dépassera largement les deux degrés prévus en décembre 2015 par l'Accord de Paris lors de la COP 21. À cela s'ajoute que des Instituts scientifiques estiment que les effets du CO2 sont sous-évalués et que de nouveaux modèles climatiques montrent un effet renforcé du dioxyde de carbone sur le climat. Jusqu'ici, le consensus qui prévalait associait les émissions de CO2 à un réchauffement de trois degrés. Or, si l'on se fie à ces nouveaux modèles, la température pourrait grimper de quatre, voire cinq degrés.

Cet intérêt pour la mesure de ce gaz s'explique par le fait que le CO2 est le principal gaz à effet de serre produit par les activités humaines et qu'il existe de nombreuses incertitudes sur cette mesure. L'absence de données sur les quantités de CO2 absorbées et émises dans certaines régions, et sur leurs variations au fil des saisons, complique les prévisions des climatologues. Ces derniers ont besoin de mesures aussi fines que possible, notamment pour les modèles d'estimation des flux de CO2 au niveau régional, le développement des connaissances scientifiques sur le fonctionnement du cycle du carbone et les comportements des grands écosystèmes dans un contexte de changement climatique.

L'évolution de la concentration en dioxyde de carbone depuis le début des mesures par l'observatoire Mauna Loa. © Scripps CO2 Program

Le satellite MicroCarb sera lancé en 2021

Cette incertitude sur la mesure des émissions de CO2 date de plusieurs années. C'est pourquoi, lors de la COP 21, la France a décidé de réaliser le satellite MicroCarb qui sera lancé en 2021. Son principal objectif est la mesure la plus précise possible des flux de CO2 en relevant en permanence combien de tonnes de dioxyde de carbone sont émises par les villes, la végétation et les océans. Il cartographiera, à l'échelle planétaire, les sources et puits de dioxyde de carbone et comment agissent les principaux puits de carbone de notre Planète que sont les océans et les forêts tropicales.

Au-delà de cet intérêt scientifique, MicroCarb a comme autre tâche de s'assurer que l'engagement de réduction des émissions de CO2 pris par 195 États, à la COP 21, sera suivi d'effet. Il devra aussi surveiller les émissions de sites industriels fixes dans le cadre du marché de quotas européens. Il s'agit d'un système de quotas d'émissions de CO2 instauré par l'Union européenne afin de contenir globalement les rejets polluants puis de les diminuer progressivement, en phase avec les engagements européens en matière de lutte contre le changement climatique.

Maquette d'un satellite MicroCarb sur le stand du Cnes, au salon du Bourget 2019. © Tiraden, CC 4.0

Mesurer des flux de CO2 avec une grande précision

Le principal intérêt de MicroCarb réside dans la précision de la mesure de la teneur en CO2 sur l'ensemble de la colonne atmosphérique. Cette mesure est attendue avec une très grande précision, de l'ordre de 1 ppm et un très faible biais (0,1 ppm), et sur un pixel de base rectangulaire de 4,5 x 9 km. On s'attend à ce que ces données des concentrations en CO2, pour l'ensemble du globe, permettent d'améliorer significativement la précision des modèles d'estimation de flux totaux de CO2 à l'échelle des grandes régions et sous-régions de la planète.

Pour réaliser sa mission, MicroCarb sera doté d'un unique instrument, un spectromètre à réseau qui aura la capacité à discerner les émissions produites par les activités humaines et celles d'origine naturelle. Cet instrument possède deux bandes spectrales dans l'IR moyen (raies d'absorption du CO2) autour de 1,6 micron et 2,1 microns, et une bande dans le proche infrarouge pour mesurer la concentration d'oxygène. Il utilisera le détecteur NGP de Lynred, société spécialiste de détecteurs infrarouges pour des applications militaires, spatiales et industrielles. Ces détecteurs sont utilisés sur d'autres missions d'observation de la Terre (Sentinel 2, Météosat de seconde génération et ceux de troisième génération...), d'astrophysique ou d'exploration comme Hayabusa-2, par exemple.

Philippe Chorier, responsable des activités spatiales chez Lynred, nous renseigne sur ce détecteur infrarouge à ondes courtes (SWIR), le plus grand jamais développé en Europe et livré pour une mission spatiale. 

Futura : Quel est le principe de fonctionnement de ce détecteur ?   

Philippe Chorier : Il s'agit d'un détecteur avec un format 1024 x 1024 au pas de 15 µm fonctionnant dans la gamme spectrale visible - SWIR (0,4 µm - 2,5 µm). Il est dimensionné pour fonctionner dans des conditions de faibles flux photoniques que l'on rencontre en particulier dans ce type d'applications (spectrométrie de l'atmosphère) et cette gamme spectrale. Le détecteur est muni de quatre sorties analogiques opérant à une fréquence maximum de 8 MHz.

Futura : Des difficultés techniques particulières dans sa réalisation ?

Philippe Chorier :Les principales difficultés techniques résident dans le fait qu'il s'agit d'un détecteur grand format avec un pas pixel réduit. Il s'agit donc de fournir un détecteur hautes performances (notamment d'un point de vue radiométrique) sur un grand format tel que l'exige la mission. Ce détecteur doit également respecter des exigences optiques sévères pour optimiser les performances de l'instrument. Cela nécessite, en particulier, la mise en œuvre d'un antireflet interférentiel multicouches de nouvelle génération pour optimiser les performances radiométriques du détecteur et réduire les effets de « ghost » au maximum dans l'instrument.

Futura : La particularité de cette « nouvelle génération » par rapport aux instruments de générations précédentes ?

Philippe Chorier : Il s'agit d'un détecteur avec une résolution quatre fois meilleure que la précédente génération avec un format 1024 x 1024, à comparer au détecteur Lynred Saturne qui a un format 1000 x 256 au pas de 30 µm. Malgré la résolution augmentée et le pas pixel réduit, la performance du détecteur (notamment radiométrique) reste similaire voire meilleure que celle du détecteur Saturne de génération précédente.

Futura : Quelles sont les contraintes et spécifications imposées par le Cnes, en performance et volume par exemple ?

Philippe Chorier : Le détecteur NGP utilisé sur cette mission est plus résolu que son prédécesseur en format/pas et par ailleurs, grâce à un pas pixel de 15 µm à comparer à un pas pixel de 30 µm pour son prédécesseur, ce détecteur est plus compact. Il est également optimisé en dissipation thermique (moins de 150 mW), ce qui permet d'optimiser le budget thermique de l'instrument et donc le couple volume-masse de celui-ci. Enfin, il s'agit d'un détecteur qui respecte un haut niveau d'exigence assurance qualité pour être compatible à une application spatiale requérant une très haute fiabilité en matière de performance et de durée de vie.

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