Mission

Objectifs Scientifiques de microcarb

L'objectif scientifique de la mission MicroCarb est le suivi et la caractérisation des flux de CO₂ à la surface, donc des échanges entre les sources (naturelles ou anthropiques) et les puits constitués par l'atmosphère, l'océan, les sols et la végétation.

Les flux annuels globaux de CO2 représentent une quantité de l'ordre de 200 gigatonnes de carbone. Les émissions liées à l'activité humaine rajoutent environ 10 gigatonnes supplémentaires qui viennent déséquilibrer la balance naturelle. Ce surplus est, pour moitié, absorbé par la végétation, les sols et les océans, l'autre moitié étant à l'origine de l'augmentation de la concentration atmosphérique en gaz à effet de serre (le CO2 est le principal de ces gaz), à l'origine du changement climatique.

Une meilleure connaissance des flux de carbone est nécessaire pour :

• Améliorer la connaissance des mécanismes d’échange au niveau des sources et des puits, de leur variabilité saisonnière, et de leur évolution en réaction au changement climatique,
• Identifier les paramètres qui contrôlent les échanges de carbone,
• Valider et améliorer (en réduisant leur incertitude) les modèles du cycle de vie du carbone.

Par ailleurs MicroCarb vise à constituer un précurseur d'un système opérationnel futur apte à assurer un suivi global et précis des émissions fossiles.

La compréhension du cycle du carbone peut nous aider à prévoir son évolution en fonction des scénarios climatiques envisageables. Les flux n'étant pas directement mesurables, leur calcul résulte des mesures de concentration atmosphérique faites par le satellite et de l'inversion de ces données au moyen d’un modèle de transport atmosphérique. Les flux de surface obtenus (produits de niveau 4) sont les flux globaux prenant en compte les flux naturels et anthropiques.

Les valeurs de concentrations de CO2 utilisées dans la méthode d'inversion doivent avoir une précision élevée, de l'ordre de 1 ppm (à comparer à la concentration atmosphérique du CO2 de 400 ppm) pour évaluer les gradients dont la valeur est de quelques ppm. La couverture spatiale et la répétitivité temporelle des mesures a également son importance dans le processus d'inversion, c'est ce qui rend l'observation par satellite intéressante.

Les valeurs de concentration sont déduites de mesures du spectre atmosphérique dans des longueurs d’onde spécifiques aux espèces gazeuses étudiées. Le dioxyde de carbone est un gaz présentant des raies d'absorption dans le domaine du proche infrarouge (à 1,6 µm et 2,0 µm), le rayonnement émis par le soleil à ces longueurs d'onde et réfléchi par la Terre vers le satellite porte donc la signature de cette molécule. C'est la profondeur des raies d'absorption qui contient l'information sur la concentration en CO2. Outre les 2 bandes d’absorption du CO2, MicroCarb acquiert également des spectres dans des bandes étroites caractéristiques de l’O2 à 0,76 et 1, 27 µm. Ces bandes permettent de normaliser les mesures de concentration CO2 (prise en compte de la pression atmosphérique) mais également de prendre en compte l’effet des éléments dispersifs tels que les nuages et les aérosols.

La mission MicroCarb effectuera donc des mesures de luminance spectrale du rayonnement solaire réfléchi par la Terre, au Nadir sur les terres émergées et au glint sur l'océan (les acquisitions sont donc limitées à la partie éclairée de l’orbite). Ces mesures de luminance spectrale seront converties en concentrations de CO2 en colonne intégrée par une méthode d’inversion du spectre pour donner les produits géophysiques.

Logique de traitement des données

 Principe de la mesure atmosphérique

Mission

L'objectif de la mission MicroCarb étant de fournir une mesure de la concentration en CO2 d'une extrême précision (de l'ordre de 1 ppm, soit 0,3%), le spectre en luminance observé doit être de très grande qualité : la résolution spectrale et le rapport signal-à-bruit demandés sont très élevés. Pour un concept de spectromètre dispersif, le pouvoir de résolution exigé est compris entre 25 000 et 42 000.

Une mission d’échantillonnage

Le modèle de transport utilisé pour reconstituer les flux possède actuellement une résolution spatiale globale de 2,5°x 3,75° (soit 250 x 400 km à l’équateur) : cette résolution peut régionalement être ramenée à 1°x1°. Ce modèle gère 4 dimensions, donc outre les 3 dimensions spatiales est capable de prendre en compte des données dispersées dans le temps. MicroCarb est donc dimensionnée pour permettre d’échantillonner toutes les mailles de ce modèle dans un minimum de temps (en l’occurrence une semaine) mais pas pour assurer une couverture en chaque point du globe.

Il sera néanmoins capable, à titre exploratoire et de façon limitée, d’effectuer de l’imagerie spectrale avec une résolution de l’ordre de 2x2 km² au-dessus de zones d’intérêt (typiquement zone urbaine étendue) au lieu d'une résolution typique de 40 km2.

Des modes de pointage variés

Balayage nadir

Au-dessus des terres émergées, le satellite acquiert des mesures en visée nadir. Un mécanisme de scan autorise le dépointage de la ligne de visée de part et d’autre de la trace avec une amplitude de ± 200 km, favorisant ainsi l’acquisition de mesures non corrélées.

 Illustration du mode balayage nadir

Suivi du glint solaire

"Sun Glint",  la tache de réflexion spéculaire du soleil

Au-dessus des mers, l'eau étant sombre dans le domaine spectral du proche infrarouge et ne réfléchissant donc pas la lumière solaire, MicroCarb visera le glint, c'est-à-dire la tache de réflexion spéculaire du soleil. Cette capacité de suivi du glint permet d'obtenir un flux suffisant en entrée de l'instrument et autorise donc la mesure de la concentration du CO2 atmosphérique au-dessus des océans.

Répartition des observations nadir et glint (exemple)

La figure ci-dessus montre une répartition des modes Glint et Nadir envisagée pour les études de dimensionnement du satellite en phase A. Les orbites en bleu sont en mode glint (orbites majoritairement sur mer), et les orbites en jaune sont en mode Nadir (les mesures en mode Nadir au-dessus des mers sont inexploitables, car le flux reçu par le satellite est trop faible). Une même orbite peut également être découpée entre une partie en Glint et une partie en Nadir. Le pointage en Glint est assuré par le satellite pour le mouvement en tangage et par le mécanisme de scan interne à l’instrument pour le mouvement en roulis.

Mode cible

Le dernier mode d’observation consiste en des acquisitions en continu sur une cible fixe. Ce mode est destiné notamment à vérifier la précision des mesures effectuées par la chaine instrumentale (instrument embarque et algorithmes de correction et d’inversion) en comparaison avec les mesures de référence effectuées par les stations sol du réseau TCCON.

Ce mode est également à même de cartographier une zone d’intérêt de quelques dizaines de km de surface.

Dans ce mode, le mouvement autour de l’axe tangage est assuré par le satellite, celui autour de l’axe roulis par le mécanisme de scan interne à l’instrument.

 Illustration du mode cible

Mode calibration instruments

Plusieurs modes de pointage sont prévus afin de calibrer l’instrument sur des sources de référence. Il s’agit d’un pointage vers le soleil, pour lequel l’instrument effectuera les mesures à travers un diffuseur (il s’agira de vérifier la calibration spectrale sur des raies solaires) et d’un pointage vers la lune (destinée à vérifier la calibration radiométrique).

Une orbite héliosynchrone

Le choix de l’orbite est dicté par l’atteinte des objectifs scientifiques, tout en prenant en compte la recherche d’opportunité de lancement en lancement multiple et les contraintes liées à la préservation de l’espace (Loi sur les Opérations Spatiales). L’orbite retenue est une orbite héliosynchrone d’altitude 650 km et d’heure locale 10h30. Le choix de l’heure locale permet d’optimiser le flux solaire reçu (minimisation de l’angle de réflexion). Le choix de l’altitude optimise l’homogénéité de la couverture globale à l’horizon de la semaine. Le système reste compatible d’un changement d’heure locale (13h30).

 Couverture obtenue sur un cycle de 21 jours et un sous cycle de 7 jours

Lancement

Le lancement est prévu au plus tôt en 2025, depuis le Centre Spatial Guyanais à Kourou, en tant que co-passager ou passager auxiliaire sur un lanceur européen Vega C.