Les sentinelles de la terre

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SCIENCES
Les Sentinelles
de la Terre
1er mars 2002 : le satellite Envisat est placé en orbite à 800 km de la Terre.
Depuis, à raison de quatorze révolutions par jour, il observe notre planète
au service de la science et de l’environnement. Pendant plusieurs mois, le
réalisateur a suivi la vie de ce satellite et celle de ceux qui utilisent sa vision
de la Terre. Quatre des cinq documentaires de 26 minutes nous font découvrir les multiples usages de ces images venues du ciel, le cinquième nous
raconte les préparatifs du lancement de Cryosat, satellite imageur destiné
plus particulièrement à l’étude des pôles.
1. ENVISAT PREND LA MER
Frascati, Italie. Les clichés envoyés par Envisat semblent indiquer que, loin
d’ici,en mer du Nord,un navire a dégazé: une longue tache sur la carte signale
la présence de pétrole. Un coup de téléphone, et les équipes suédoises sont
en mer. Elles vont s’assurer de la présence effective de la nappe de pétrole
(un banc d’algues un peu dense peut leurrer le satellite) et, si besoin est,
collecter les échantillons de pétrole qui accuseront le capitaine indélicat.
En mer, les images d’Envisat ne servent pas qu’à des missions de surveillance. Les capteurs du satellite sont capables de déterminer la température des eaux à quelques millièmes de degrés près, montrant ainsi, sans
aucune contestation possible, l’augmentation de la température des eaux
océaniques. Plus étonnant : le satellite peut mesurer très finement les
variations de hauteur des eaux. Il peut mettre en évidence des mouveLes sentinelles de la terre
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ments aussi subtils que celui des ondes de Rossby, vastes oscillations traversant
l’océan Atlantique, longues de quelque 500 km pour seulement 10 à 20 centimètres d’amplitude.
2. ENVISAT CHEZ LES GORILLES
Dans la forêt de Bwindi en Ouganda vivent des gorilles ; un parc national y a été créé
pour les protéger. Mais ils sont en danger. Leur principale menace : l’extension des
terres cultivées autour du parc.Tout en empiétant sur leur espace vital, elle va jusqu’à
changer leurs habitudes alimentaires en les habituant à la consommation d’une nourriture produite par l’homme. Pour aider les primatologues dans leur mission de préservation de l’écosystème, Envisat fournit des cartes détaillées des zones boisées
avec, outre les reliefs, la densité du couvert végétal. On peut ainsi veiller au bon respect des limites du parc par les paysans des alentours. Plus encore, elles permettent à Alastair Mc Neilage, primatologue du Centre de protection de la forêt tropicale,
d’évaluer les déplacements des primates et de décider ainsi des futures zones d’extension du parc naturel.
3. ALERTE GÉNÉRALE
En plein centre de Naples, dans la zone volcanique de la Solfatare, se dressent deux
trièdres métalliques de plus d’un mètre de côté. S’ils servent de sièges occasionnels
aux badauds, leur fonction véritable est de renvoyer dans l’espace les signaux émis
par Envisat. Les scientifiques mesurent ainsi, au centimètre près, les déformations
du sol et estiment l’activité volcanique de cette région à haut risque. En Chine, ce
sont les images précises de zones inondées fournies par le satellite qui permettent
aux équipes de sauvetage d’intervenir rapidement. Prévention et urgence : Envisat
joue un rôle de premier ordre dans la gestion des risques sur Terre.
Inversement, on se préoccupe beaucoup, sur Terre, des menaces qui pèsent sur le satellite. Première d’entre elles : la collision avec un objet spatial. Plus de 10 000 débris de
taille significative et environ 800 satellites tournent aujourd’hui autour de la Terre.
Heureusement, les risques de collision demeurent faibles : il a fallu, en cinq ans d’existence, ne dérouter Envisat que deux fois pour lui éviter une collision, à coup sûr, fatale.
4. ENVISAT CHEZ LES INUITS
Pôles au menu de cet épisode. À l’Institut européen de recherches spatiales de Frascati en Italie, les scientifiques étudient les glaces grâce aux images envoyées par
Envisat. Au pôle Sud, c’est l’errance d’un iceberg géant qui les mobilise : long de
120 kilomètres, ce monstre glacé dérive et se fragmente en heurtant la banquise,
menaçant une base scientifique. Au pôle Nord, le danger est moins spectaculaire
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mais tout aussi réel : le réchauffement climatique a modifié la géographie de la banquise et les chasseurs inuits n’ont plus leurs repères pour aller chasser le phoque.
La banquise, fragilisée, est devenue un piège permanent. Savoir ancestral et coutumes sont maintenant inutiles et obsolètes. Mais Envisat et ses cartes sont là pour
connaître la forme de la banquise et, plus important encore, la nature de la glace.
Pas d’inquiétude avec celle qui est permanente, mais gare à celle qui gèle et dégèle
chaque année…
5. COMPTE À REBOURS
Après Envisat, Cryosat. Plus spécifiquement destiné à l’étude des pôles, Cryosat est
un satellite qui permettra de mesurer l’épaisseur de la calotte glacière et d’évaluer
les effets du réchauffement terrestre. Nous suivons le compte à rebours avant lancement. On teste la résistance de l’engin à des vibrations mécaniques et à des intensités sonores énormes, semblables en tout point à celles qu’il endurera dans la fusée.
L’entraînement sur simulateur pour le placement du satellite sur orbite est organisé
avec, pour mimer l’imprévu, une équipe d’informaticiens chargée de mettre des grains
de sable (virtuels et numériques) dans la mécanique du programme de tir. Moins
technique mais tout aussi important, il faut prévoir la liste des invités qui assisteront
à la conférence de presse. Tout le monde est en effervescence jusqu’au jour J… Un
jour J qui ne tiendra pas ses promesses : la fusée russe qui emporte le satellite
s’abîme en mer, l’engin spatial est perdu. Mais, déjà, un Cryosat nouveau modèle est
dans les cartons. Lancement prévu : 2009.
Carte d’identité
DISCIPLINES, CLASSES ET PROGRAMMES
Sciences physiques, 5e. L'eau.
Sciences physiques, 5e. La lumière : le système solaire.
Sciences physiques, 4e. La lumière : couleurs et images.
Physique, 2de. Exploration de l'espace.
SVT, 4e. L'activité interne du globe.
Français, tous niveaux. Éducation à l'image.
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Découpages et structures
1. ENVISAT PREND LA MER
00 h 00 min 00 s Générique et résumé en image du film.
00 h 02 min 55 s A l’ESRIN, Institut européen de recherches spatiales, Henri Laur,
chef de mission Envisat, présente à des Japonais le satellite Envisat. Description des missions d’Envisat.
00 h 04 min 30 s Discussion entre Henri Laur et Pascal Leconte, responsable de la
qualité des observations : on a détecté une nappe de pétrole près
des côtes de Norvège. Ils préviennent les autorités norvégiennes.
00 h 06 min 10 s Tromso, Norvège, centre de détection de la pollution maritime.
Analyse des images satellites.
00 h 07 min 30 s ESRIN : Pascal Leconte change de bureau.
00 h 08 min 37 s Norvège. Confirmation de la présence du pétrole. Survol par avion
de la zone polluée. Photographie des bateaux, prélèvement dans
la nappe de pétrole.
00 h 12 min 22 s ESRIN. Suite du déménagement de Pascal Leconte.
00 h 13 min 06 s Norvège. Récupération du prélèvement en mer.
00 h 14 min 37 s ESRIN. Olivier Arrino, chef des projets d’application, présente son
nouveau produit : la carte journalière de la température de l’eau
en Méditerranée.
00 h 16 min 10 s Norvège. Nouvelle sortie en avion sur une nappe de pétrole. Fausse
alerte : ce sont des algues microscopiques.
00 h 17 min 33 s ESRIN. Discussion entre Leconte et Laur sur l’importance de la
validation des résultats par le laboratoire de Southampton.
00 h 18 min 44 s À l’université de Southampton, la pratique quotidienne de la science.
Comparaison entre des mesures radar d’Envisat et de celle fournies en mer.
00 h 21 min 29 s Explication et mise en évidence d’ondes de Rossby. Image de synthèse explicitant l’altimétrie radar.
00 h 23 min 00 s ESRIN. Henri Laur sélectionne les projets scientifiques qui utiliseront les données Envisat.
00 h 24 min 20 s Présentation du sujet suivant. Générique de fin.
2. ENVISAT CHEZ LES GORILLES
00 h 00 min 00 s Générique et résumé en image du film.
00 h 02 min 04 s Ouganda. Dans la forêt de Bwindi, une équipe de scientifiques
recherche des gorilles des montagnes. Au Centre de protection de
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00 h 04 min 21 s
00 h 05 min 43 s
00 h 06 min 48 s
00 h 09 min 42 s
00 h 11 min 07 s
00 h 12 min 35 s
00 h 14 min 41 s
00 h 19 min 43 s
00 h 21 min 53 s
00 h 24 min 15 s
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la forêt tropicale, Alastair Mc Neilage, primatologue, expose l’utilité des cartes satellites.
Institut européen de recherches spatiales. Diego Fernandez, responsable du projet Gorilles, expose la nécessité de diffuser largement les cartes du couvert végétal afin que les observateurs de
terrain valident les données.
Images satellites de la forêt étudiée.
Ouganda. Au Centre de protection de la forêt tropicale, discussion autour des cartes sur les zones menacées par la déforestation.
Face à une zone cultivée, Dennis Babaasa, primatologue, justifie
le déplacement des paysans afin que la forêt, puis les gorilles se
réapproprient l’espace.
ESRIN. L’analyse des cartes satellites permet de repérer un changement de végétation, mais sans en reconnaître précisément la
nature.
Ouganda. Dans la forêt, Dennis Babaasa explique que 23 gorilles
ont été chassés par la déforestation de la zone, et qu’il espère
maintenant leur retour. De retour au Centre, on reporte les observations de végétation sur les cartes afin de décider des futures
extensions du parc naturel.
Ouganda. Rencontre avec les gorilles.
ESRIN. Olivier Arino, chef des projets d’application, Henri Laur, chef
de mission Envisat, et Diego Fernandez discutent des nouveaux
programmes de protection environnementale.
Ouganda. Debriefing au retour de la mission dans la forêt. L’existence du parc est un succès, les gorilles s’approprient de nouveaux territoires.
Présentation du sujet suivant. Générique de fin.
3. ALERTE GÉNÉRALE
00 h 00 min 00 s Générique et résumé en image du film.
00 h 02 min 10 s ESRIN, Institut européen de recherches spatiales. Simulation d’évacuation des locaux.
00 h 03 min 20 s Henri Laur, chef de mission Envisat, prévient Frank Jürgen Diekmann, chef des opérations Envisat, du risque de collision du satellite d’observation avec un satellite débris russe.
00 h 04 min 52 s ESOC, Centre européen d’opérations spatiales, en Allemagne. Réunion autour d’Andreas Rudolph, chef des opérations satellitaires,
sur la conduite à tenir face au risque de collision.
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00 h 07 min 31 s Images de synthèse montrant le grand nombre de satellites, souvent hors d’usage, en orbite autour de la Terre.
00 h 08 min 34 s Italie. Franck Martin Seifert, responsable du programme Surveillance des volcans, va à Naples rencontrer les scientifiques travaillant sur le Vésuve et la Solfatare.
00 h 12 min 27 s Images de synthèse. Envisat repère les écoulements de lave lors
d’une éruption.
00 h 12 min 50 s ESRIN. Henri Laur explique qu’en cas de risque de collision, on utilise les moteurs ioniques du satellite pour dévier sa trajectoire.
00 h 13 min 35 s ESRIN. Des inondations dans le sud de la Chine bouleversent le
programme d’Envisat. L’urgence humanitaire l’emporte sur les missions en cours, le satellite se met au service de l’aide internationale.
00 h 16 min 28 s Envisat est reprogrammé pour fournir des images des zones inondées. Les équipes de secours sur place peuvent alors intervenir.
00 h 20 min 02 s ESOC. La probabilité de collision des deux satellites est inférieure
à 1/3 000. Une modification de l’orbite n’est donc pas nécessaire.
00 h 21 min 26 s Henri Laur défend l’idée d’une constellation de satellites pour obtenir des images plus fréquentes lors des urgences.
00 h 22 min 17 s Présentation du sujet suivant. Générique de fin.
4. ENVISAT CHEZ LES INUITS
00 h 00 min 00 s Générique et résumé en image du film.
00 h 02 min 13 s ESRIN, Institut européen de recherches spatiales. Introduction.
00 h 03 min 02 s Pond Inlet, Canada. Conversation téléphonique entre Brian Koonoo, garde patrouilleur et Ola Grabak, responsable du projet Polar
View à l’ESRIN sur les futures cartes de la banquise.
00 h 04 min 24 s ESRIN. Explication d’Ola Grabak sur l’usage des cartes de la banquise.
00 h 06 min 47 s Pond Inlet. Conversation téléphonique entre Brian Koonoo et Ola
Grabak : les nouvelles cartes vont arriver.
00 h 07 min 24 s Images satellites. Les données Envisat permettent de différencier
glace permanente et glace saisonnière.
00 h 07 min 58 s Pond Inlet. Arrivée des cartes satellites. Brian Koonoo diffuse l’information auprès des pêcheurs inuits.
00 h 11 min 10 s Charlie Inuaraq, chasseur inuit, se prépare à la chasse.
00 h 12 min 08 s Images satellites du pôle Sud. Un glacier dérive et menace des
stations scientifiques.
00 h 12 min 34 s ESRIN. Explications d’Henri Laur, chef de mission Envisat, sur la
dérive du glacier.
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00 h 13 min 47 s Pond Inlet. Partie de chasse au phoque. En chemin, discussions
entre chasseurs inuits sur la qualité et l’épaisseur de la glace.
00 h 20 min 28 s ESRIN. Poursuite de l’observation du glacier errant de l’Antarctique.
00 h 22 min 19 s Pond Inlet. Scènes de vie de famille au retour de la chasse. Brian
Koonoo téléphone à Ola Grabak : discussion sur le futur Cryosat.
00 h 24 min 17 s Présentation du sujet suivant. Générique de fin.
5. COMPTE À REBOURS
00 h 00 min 00 s Générique et résumé en image du film.
00 h 01 min 54 s Présentation du sujet : le lancement de Cryosat.
00 h 02 min 43 s J-70 du jour de lancement à l’ESRIN, Institut européen de recherches spatiales, en Italie. Pascal Gilles, chef de la mission Cryosat,
fait une interview radio et explique le principe de l’altimétrie.
00 h 03 min 30 s Réunion autour de Guy Ratier, chef du projet Cryosat.
00 h 04 min 28 s J-60, Centre de test aérospatial. Guy Ratier s’assure du bon déroulement des tests de résistance du satellite aux vibrations.
00 h 06 min 24 s J-30, ESOC, Centre européen d’opérations spatiales, en Allemagne. Simulation de lancement du satellite et entraînement aux différents imprévus.
00 h 10 min 16 s J-20, ESRIN. Réunion autour de Simonetta Cheli, chef de la communication, afin d’établir la liste des invités et la date de lancement du satellite.
00 h 12 min 30 s J-10, ESRIN. Lors de l’installation du centre de presse, Pascal Gilles détaille le fonctionnement de la fusée qui lancera Cryosat.
Henri Laur, chef de mission Envisat, évoque la question de la durée
de vie d’un satellite.
00 h 15 min 28 s J-3, ESRIN. Préparatifs et conférence de presse.
00 h 17 min 11 s Jour J, à l’ESOC et à l’ESRIN. Lancement réussi du satellite… mais
satellisation ratée. L’étage supérieur du lanceur s’est abîmé en mer
Arctique.
00 h 23 min 24 s Journal télévisé annonçant l’échec du lancement.
00 h 24 min 10 s ESRIN, trois mois plus tard. Henri Laur justifie l’importance des
satellites d’observation.
00 h 25 min 25 s Générique et fin.
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Pistes pédagogiques
COMMENT ENVISAT DÉTECTE-T-IL LES NAPPES DE PÉTROLE ?
LES RADARS SATELLITAIRES
Séquence pédagogique s’appuyant sur Envisat prend la mer.
Physique, 2de. Exploration de l'espace, messages de la lumière.
Ce premier document est l’occasion de présenter aux élèves le principe de fonctionnement du radar tout en récapitulant les connaissances sur la lumière.
En restant tout d’abord dans le domaine de la lumière visible, on précisera quels
sont, dans le cas d’une image satellitaire, l’émetteur (le Soleil), le récepteur (l’instrument imageur) et la source secondaire (la Terre soumise au rayonnement solaire) de
la lumière enregistrée.
On précisera alors que l’atmosphère terrestre est transparente non seulement aux
longueurs d’onde de la lumière visible, avec un petit débordement du côté des infrarouges et des ultraviolets, mais aussi aux ondes dites radio. On les situera dans le
spectre. Pour observer la Terre de l’espace, on dispose donc d’une deuxième fenêtre
spectrale du côté des grandes longueurs d’ondes.
Après le visionnage du film, on définira précisément le principe du radar : il émet une
onde radio dans une direction de l’espace puis écoute l’écho de cette onde réfléchie
par les obstacles qu’elle rencontre. On questionnera la classe sur les points communs
et les différences existants entre les détecteurs passifs d’un satellite (comme MERIS
sur Envisat) et un radar satellitaire (comme ASAR) : le détecteur passif analyse la
lumière solaire réfléchie par la Terre, tandis que le radar émet ces ondes pour pouvoir
ensuite les analyser en retour. En somme, un radar est son propre soleil dans la
gamme des ondes radio.
On fera alors réfléchir les élèves sur les intérêts de l’imagerie radar. Pour les
imageurs traditionnels, l’observation dans la gamme des longueurs d’onde visibles et infrarouges est soumise aux caprices de la météo. Il n’y a plus d’image possible dès lors qu’il y a une couverture nuageuse parce que les nuages ne sont pas
transparents à ces longueurs d’ondes. Il a ainsi fallu plusieurs années à Spot pour
obtenir une image sans nuage de Kourou, son propre site de lancement. De même,
les pôles restent dans la nuit plusieurs mois par an. Aucune image n’est alors
possible. Lorsque l’été revient, les zones polaires restent faiblement éclairées en
raison de leur latitude élevée. La quantité de lumière réfléchie sur les sols demeure
faible et les images sont de mauvaise qualité. Le radar, lui, se moque de tout
cela : il fonctionne par tous les temps, de jour comme de nuit. Autre avantage du
radar : on peut jouer sur la longueur d’onde pour obtenir une information précise :
les radars à pluie par exemple émettent des ondes d’une longueur d’onde sensiblement égale à la taille des gouttes de pluie. Comme une onde est d’autant plus
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diffusée que sa longueur d’onde s’approche de la taille de l’obstacle, le radar
reçoit un signal fort dès qu’il atteint une zone de pluie. On obtient une cartographie précise des précipitations.
Par contre, l’image radar comporte certains défauts. Elle n’est pas facilement
interprétable. C’est une image monochrome en fausses couleurs ne comportant
qu’un type d’informations par pixel contrairement aux images obtenues dans le
visible. De plus, sa résolution est souvent faible comparée aux images en visible.
(On rappellera la formule : distance d’observation ouverture de l’instrument
r=
=
résolution
longueur d’onde
Pour un radar spatial, r = 200. Pour le télescope spatial Hubble, r = 5 x106.)
À partir des connaissances maintenant établies, on peut comprendre comment Envisat
est capable de détecter les nappes de pétrole sur l’océan, et même de les confondre avec un banc d’algues. On pourra partir de l’image du naufrage du pétrolier
Prestige au large des côtes de la Galice en novembre 2002 qui est disponible en
haute résolution sur le site de l’ESA : http://envisat.esa.int/asar_oil_spill/.
Sur une surface essentiellement plane comme celle des océans, l’intensité de l’écho
radar est surtout contrôlée par la rugosité, c’est-à-dire le microrelief causé par les petites vagues, également responsable du scintillement du Soleil. Quand il analyse une
surface, le radar vise latéralement, de côté, et non sous lui. Dans ces conditions, une
surface très lisse, qui agit comme un miroir radioélectrique, renvoie l’onde radar au
loin (on ne se voit dans un miroir que si l’on est face à celui-ci). Comme presque
rien ne revient vers le radar, les surfaces lisses apparaissent sombres. Mais si le vent
souffle à la surface de l’eau, de petites vagues sont créées et constituent autant de
petits miroirs à la surface de l’eau. La mer apparaît alors brillante sur l’image radar,
et cela pour deux raisons : d’abord parce que certains de ces petits miroirs sont orientés face au radar, renvoyant ainsi directement l’onde électromagnétique, mais aussi
parce que la longueur d’onde du radar est du même ordre de grandeur que la taille
des vaguelettes. Celles-ci se mettent alors à diffuser l’onde radar dans toutes les
directions, comme pour les gouttes de pluie précédemment citées.
Que se passe-t-il en présence d’une nappe de pétrole ? La nappe huileuse limite
la formation de vaguelettes, l’eau reste lisse même sous le vent. Le radar la voit
donc plus sombre que l’eau libre qui l’entoure et qui renvoie, elle, une partie du
signal. Le pétrole devient parfaitement repérable sur une image d’ensemble de
la zone maritime. Limitation : si le vent est trop fort, la couche d’huile ne suffit
plus à maîtriser l’apparition des vaguelettes et la nappe de pétrole disparaît de
l’écran radar. De même, le radar peut se faire leurrer par une forte concentration de phytoplancton qui crée une mince couche de matière organique à la
surface de l’eau, voire par un rassemblement d’algues qui limitent la formation
des vaguelettes.
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LA CARTOGRAPHIE DES FONDS MARINS
Séquence pédagogique s’appuyant sur Envisat prend la mer.
Physique, 2de. Exploration de l'espace, de l'atome aux galaxies.
Envisat est capable de déterminer le niveau des océans avec une précision de 4,5 cm.
Rappeler le principe du radar altimétrique : le radar émet une onde radio « sous lui »,
c’est-à-dire vers le centre de la Terre. En mesurant la durée de l’aller-retour de ce signal,
il détermine la distance qui le sépare du sol. Si on connaît d’autre part la position
exacte du satellite dans l’espace, on peut en déduire la hauteur de l’eau à un instant
donné. On pourra faire calculer le temps d’aller-retour ainsi que la précision nécessaire à l’horloge pour obtenir la mesure à 4,5 cm près sur 800 km.
Par une discussion de classe et à partir des informations du film, on pourra répertorier les différentes causes de variation de la hauteur des eaux des océans : marées,
mais aussi courants marins comme El Niño, effets dus aux vents ou à la pression
atmosphérique, température de l’eau, etc.
On distinguera alors les variations temporelles des variations spatiales. En effet, en
chaque point des eaux du globe, le niveau de l’eau varie autour d’une valeur moyenne.
La partie qui change avec le temps témoigne des phénomènes océanographiques
précédemment cités. Mais il existe une composante fixe qui ne dépend que du lieu :
ces variations dans l’espace sont les résultats des variations locales du champ gravitationnel.
Ce sont ces variations de champ gravitationnel qui ont permis d’établir à partir de
1994 (avec le satellite ERS-1) la première carte globale des fonds océaniques.Aussi
incroyable que cela paraît, les variations du niveau des mers épousent celles des
fonds marins. Par exemple, la présence d’un volcan sous-marin crée une augmentation locale du champ gravitationnel qui va se traduire par un renflement local du
niveau des eaux. Inversement, une fosse sous-marine se signalera par un creux à la
surface de l’océan. Ces collines et ces vallons liquides ont jusqu’à 3 mètres d’amplitude en plus ou en moins par rapport à la moyenne. En passant ces mesures dans
des traitements informatiques complexes, les scientifiques ont ainsi établi une carte
complète du relief des fonds marins.
À noter que ces mesures ont permis d’enregistrer aussi une augmentation globale
de la hauteur des eaux d’environ 3 cm entre 1993 et 2003, augmentation probablement due au réchauffement terrestre et à l’effet de serre.
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ENVISAT ET LA VÉGÉTATION :
L’IMAGEUR EN RAYONNEMENT VISIBLE
Séquence pédagogique s’appuyant sur Envisat chez les gorilles.
Physique, 2de. Exploration de l'espace.
Le film Envisat chez les gorilles montre les scientifiques aux prises avec leurs cartes
de végétation et d’altitude. On les voit en particulier parcourir la forêt pour vérifier de
visu l’adéquation entre les informations délivrées par le satellite et la réalité du terrain. Cela illustre bien la difficulté de l’interprétation des informations envoyées par
le satellite.
Réflectances
Pelous e
(%)
80
70
60
50
Sol clair
40
30
Sapin
20
Sol foncé
10
Eau clair e
0,4
0,5
0,6
Visible
0,7 0,8 0,9
Eau turbid e
1,0
Longueurs d’ondes
(en micro mètres)
Proche infrarouge
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Pour dessiner les cartes de végétation, les scientifiques n’utilisent pas des radars
mais des instruments de mesure passifs analysant la lumière solaire réfléchie par la
Terre dans des bandes spectrales allant du visible aux proches infrarouges. Sur Envisat, c’est MERIS qui s’acquitte de cette tâche. Il fournit, pour chaque point d’une
image, une série de valeurs de l’intensité lumineuse dans diverses bandes spectrales.
À partir d’une recherche sur internet, on pourra retrouver avec les élèves les principales caractéristiques de MERIS : 15 bandes spectrales programmables dans le visible et l’infrarouge, avec une résolution de 300 mètres au sol.
On appelle réflectance d’un corps le rapport de la quantité d’énergie lumineuse émise
sur la quantité d’énergie lumineuse reçue. La courbe de réflectance est la variation
de ce coefficient en fonction de la longueur d’onde.
À partir d’une discussion autour des courbes de réflectance de quelques corps proposées ci-dessus, on expliquera les rudiments de l’analyse des images :
– Comment distinguer les terres submergées par une crue des zones d’eau douce
naturelle ? En enregistrant l’intensité de la lumière réfléchie aux alentours d’une longueur d’onde de 0,8 m. L’eau calme ne renvoie aucune lumière, tandis que l’eau agitée renvoie un faible signal. La première restera en noir sur une carte, la seconde
sera gris foncé.
– En mesurant l’intensité de la lumière réfléchie aux alentours de 0,65 m, on pourra
distinguer les zones de pelouse de celles couvertes de sapins : la pelouse donnera
une tache totalement noire (réflectance nulle), celle avec des sapins une tache grise.
On risque cependant de confondre la zone de sapins avec une étendue d’eau turbide (même intensité réfléchie). Comment alors faire la différence entre les deux ?
En comparant, par exemple, l’intensité de la lumière renvoyée à la longueur d’onde
de 0,8 m.
Pour le plaisir des yeux, on pourra aller faire un tour sur le site Miravi
(http://www.esa.int/miravi) où est accessible un grand nombre d’images produites
par MERIS. Cependant, même si ces images donnent la sensation d’être à bord du
satellite et d’observer la Terre par un hublot, elles ne sont ni vraies ni destinées à
un usage scientifique : elles ne font appel qu’à quelques bandes spectrales qui sont
retravaillées de façon à correspondre à ce que l’on verrait à peu près à l’œil nu.
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LE TEMPS DU TOURNAGE ET LE TEMPS DU RÉCIT
Séquence pédagogique d’éducation à l’image s’appuyant sur Envisat chez les Inuits.
Français (éducation à l'image), tous niveaux.
Ce quatrième documentaire nous permettra de mettre au jour les astuces qu’un documentariste doit parfois utiliser pour faire une séquence homogène. On s’intéressera
ici au temps et à sa représentation.
Comme chaque film de la série, les trois premières minutes sont occupées par le
générique, puis une présentation rapide du sujet à venir (séquence « teasing » – ou
aguichage – où sont montrées les images les plus spectaculaires afin de faire rester
le téléspectateur devant sa télévision), enfin quelques images générales de l’ESRIN.
De même, les dernières minutes servent à présenter le sujet du lendemain. On ne
s’intéressera donc qu’à la séquence vraiment propre au sujet du jour, c’est-à-dire
entre 2 min 30 s et 24 min 16 s.
Le film nous parle de trois actions simultanées en trois lieux différents : la chasse aux
phoques au pôle Nord, la rupture glacier B-15 au pôle Sud, et les analyses des deux
phénomènes en Italie. Seuls deux lieux sont filmés par le réalisateur, le pôle Sud restant uniquement représenté à travers les commentaires des scientifiques et les images satellites.
Le film est construit de telle manière que l’on a la sensation que tout est simultané.
À défaut d’unité de lieu, on a celui de temps. Quels sont les dispositifs qu’utilise le
réalisateur pour nous faire comprendre la simultanéité de l’action ? Il y en a au
moins trois.
– À plusieurs reprises, l’écran est divisé en quatre pour faire transition entre les séquences. Par exemple, à 6 min 39 s, on peut voir simultanément une représentation en
image de synthèse du satellite, une image satellite de la Terre, un bureau en Italie et
une scène au pôle Nord. Par ce dispositif très simple, le réalisateur induit l’idée d’une
simultanéité temporelle entre tous ces événements. À noter cependant que l’on est
totalement dans l’ordre de la fiction : une image de synthèse ne peut pas par nature
attester de la simultanéité de l’événement avec quoi que ce soit. Il serait de même
bien étonnant que l’image satellite soit produite au même instant qu’est filmée la
scène de bureau ou celle des enfants inuits jouant.
– Le réalisateur enchaîne les séquences tournées au pôle Nord avec les discussions
entre chercheurs sur le pôle Sud. Ce dispositif d’alternance des séquences est un
moyen conventionnel pour signifier la simultanéité des actions.
– Ola Grabak en Italie et Brian Koonoo au pôle Nord parlent ensemble au téléphone.
La preuve est faite que tout se passe au même moment. Cette preuve n’est pas de
l’ordre du discours audiovisuel, les deux interlocuteurs sont filmés, ils se répondent.
Nous avons là toute l’apparence d’une captation de la réalité. De plus, leur conversation multiplie les indicateurs temporels marquant la simultanéité (« nous ne devons
pas avoir la même température », « quelle heure est-il chez vous ? »).
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Étudions maintenant ce qu’il en est réellement de la simultanéité des actions. Il suffit pour cela d’être attentif aux dates montrées à l’écran, parfois très brièvement, pendant le documentaire. Par chance, il y a des dates sur beaucoup d’images satellites
et de cartes. De plus, le réalisateur a parfois pris soin de nous les montrer volontairement.
04 min 21 s
Ola, scientifique à l’ESRIN en Italie, choisit sur un écran une image
satellite datée du 13 juin 2005.
04 min 57 s
Mais il explique les caractéristiques de la banquise sur une image
satellite datée du 12 mai 2005.
10 min 18 s
Présentation aux pêcheurs inuits de l’image satellite datée du
13 juin 2005.
14 min 58 s
Les pêcheurs inuits utilisent la carte datée du 13 juin 2005.
20 min 37 s
Les chercheurs de l’ESRIN discutent de la dérive d’un iceberg au
pôle Sud. Ils étudient des images satellites dont la plus récente
est datée du 17 mai 2005.
23 min 52 s
Ola parle au téléphone avec Brian. Derrière lui, une image satellite de Pond Inlet datée du 12 juillet 2005.
Le moins que l’on puisse dire, c’est que la simultanéité des actions est plutôt mise
à mal. Comment expliquer ces fluctuations de date ? Peut-on les justifier ?
Il faut se replacer dans les conditions matérielles d’un tournage. Pour avoir, par exemple, une séquence montrant Brian au pôle Nord parlant au téléphone, il faut qu’au
moins trois personnes soient venues jusqu’à lui : le réalisateur qui a en charge le
documentaire, un cameraman et un ingénieur du son. Comme il n’est pas question
de faire venir l’équipe plusieurs fois, et cela pour des raisons financières, toutes les
séquences en Arctique ont été tournées à la même période, probablement vers le
13 juin 2005.
Mais celui qui est en Arctique ne peut guère être en même temps en Italie. Or on voit
Brian à Pond Inlet et Ola à l’ESRIN discuter ensemble par téléphone. Comment expliquer cela ? Soit il y a une caméra de chaque côté du fil de téléphone, soit le réalisateur a fait une mise en scène. La première solution est très rarement, sinon jamais,
mise en œuvre : outre le fait que le réalisateur ne serait pas là pour un des tournages, cela demanderait de payer une deuxième équipe. Par contre, il est assez facile
de faire rejouer la scène par un des interlocuteurs à un autre moment. C’est de toute
évidence ce qu’a fait le réalisateur avec Ola. Plusieurs indices le montrent : les dates
sur les images, le fait que la conversation ne soit pas parfaitement cohérente (à
3 min 47 s, Ola répond à Brian, mais sa réponse n’est pas exactement adaptée à la
question de Brian), et l’insistance que mettent les deux interlocuteurs à évoquer des
sujets tentant à prouver la simultanéité des deux actions.
Quand a eu lieu le tournage en Italie ? Vers la fin mai 2005. Cela explique simplement pourquoi Ola, à 4 min 57 s, parle des caractéristiques de la banquise sur
une carte datée de fin mai à Brian qui, lui, est filmé le 12 juin 2005. De même,
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on comprend que les réflexions des scientifiques sur les mouvements du glacier
B-15 s’arrêtent au 17 mai.
Et les dates du 13 juin et du 12 juillet en Italie ? Cela correspond très certainement
à une autre période de tournage. L’ESRIN est le fil conducteur des cinq documentaires, il y a eu, ainsi que l’affirme le commentaire au début de chacun des cinq films,
plusieurs semaines de tournage dans ses murs. Rien de plus simple alors de compléter le documentaire par quelques images filmées a posteriori.
Maintenant qu’il est établi que notre documentaire, comme d’ailleurs quasiment tous
les documentaires, mélange les images prises à des temps totalement différents, on
peut s’interroger sur la légitimité de cette pratique, cette légère « mise en fiction ».
– La séquence de conversation téléphonique est-elle l’image de la réalité ou est-ce
un « trucage » ? D’un côté, on dira que la séquence ne s’est pas « réellement » passée ainsi. De l’autre, on répondra que le réalisateur n’a rien inventé et a seulement
demandé aux protagonistes de refaire devant une caméra ce qu’ils font tous les jours.
Le film aurait-il pu faire l’impasse de cette séquence ? N’aurait-il pas été bien bancal sans les images de Ola discutant au téléphone avec Brian. Aurait-on compris les
relations entre les deux individus ? On pourra au passage insister sur les temps totalement différents qui sont ceux du récit filmique et ceux d’un tournage. À titre d’exemple, une séquence de 3 minutes d’un documentaire demande au minimum une bonne
journée de tournage. L’existence de ces temps totalement différents explique celle
de procédés rhétoriques capables de représenter un temps propre à l’intérieur du
récit audiovisuel.
– Que penser maintenant de la séquence téléphonique finale (à partir de 23 min 52 s) ?
On y voit Brian téléphoner à Ola pour lui demander des nouvelles de Cryosat. Bien
lui en prend : Cryosat sera le sujet du lendemain et la question permet la transition
avec le suivant documentaire.
– Finalement, l’occasion est peut-être donnée de s’interroger avec les élèves sur les
frontières ténues qui existent entre le documentaire et la fiction. Une autre séquence
du film pourra d’ailleurs étayer le débat : la discussion « inopinée » de Brian avec une
connaissance (de 8 min 25 s à 9 min 27 s). On reconstituera le dispositif de tournage
(où est le cadreur, l’ingénieur du son ?), on étudiera la discussion afin d’en comprendre les ressorts cachés et évaluer la spontanéité de la scène.
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MÉCANIQUE SPATIALE
Séquence pédagogique pouvant s’adapter à tous les documentaires du DVD.
Collège, cycle central.
Le 5 décembre 2006, l’agence spatiale européenne publie sur son site internet un
communiqué de presse (http://www.esa.int/esaCP/SEMGU29L6VE_France_0.html)
dont voici un extrait :
« Envisat a été placé en orbite polaire à une altitude de 800 km, qui permet à MERIS d’observer l’intégralité de la planète en trois jours. MERIS
mesure le rayonnement solaire réfléchi par la surface de la Terre, ce qui
rend la présence du Soleil nécessaire pour qu’il puisse produire une image.
Comme le Soleil est bas en hiver dans les zones septentrionales, les images de la Scandinavie, par exemple, ne sont pas disponibles à cette époque, sauf les images d’archives. Cette situation s’inversera à partir de mars,
où des images de cette région seront obtenues quotidiennement. En revanche, l’Antarctique sera visible au cours des deux prochains mois. »
Ce texte est l’occasion de résumer les connaissances des élèves concernant le mouvement des planètes et des satellites.On précisera à l’aide d’un schéma la position du Soleil
et de la Terre en hiver afin de justifier l’absence d’image du pôle Nord par MERIS, l’imageur embarqué dans Envisat. Pourquoi faut-il attendre le mois de mars pour retrouver des
images? Représentez la position de la Terre et son éclairement selon les saisons.
Quelle doit être l’altitude d’un satellite géostationnaire ? À l’altitude de 800 km, Envisat met-il plus ou moins de 24 heures pour faire le tour de la Terre ? Sachant que
l’orbite d’Envisat passe par les pôles, on pourra alors compléter le dessin par la trace
de l’orbite.
Le site Eoportal propose un module (accessible en anglais) permettant de visionner
les déplacements des satellites d’observation terrestre aujourd’hui en activité
(http://www.eoportal.org/orbits/view_envisat.html). Plusieurs utilisations sont possibles en classe.
– Visionner le déplacement d’un satellite autour de la Terre (le pas de temps le plus
adapté est 5 minutes environ).
– Visionner la trace au sol d’un satellite (onglet Satellite, case trace à cocher)
– Visionner le déplacement de plusieurs satellites simultanément. En adoptant une
vision polaire, on pourra voir que les orbites des satellites d’observation de la Terre
ne sont pas toutes centrées sur les pôles.
– Obtenir une carte du ciel avec les trajectoires des satellites à n’importe quelles
dates et heures pour quelques grandes villes dans le monde. On peut aussi retrouver le nom d’un satellite aperçu dans le ciel (onglet Skyview et en choisissant un
lieu dans l’onglet location).
– Et inversement, calculer l’heure de passage au-dessus de nos têtes d’un des satellites répertoriés (onglets Skyview et View, touche Visibility Calculator).
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Complément
DES PRÉCISIONS SUR ENVISAT
Envisat (contraction de Environment Satellite) est un satellite de conception européenne lancé le 1er mars 2002 de Kourou par Ariane 5. Il fait suite aux deux satellites ERS-1 et ERS-2 lancés au siècle précédent et dont la mission était sensiblement
la même : ausculter la Terre depuis l’espace dans le but de comprendre l’environnement terrestre.
Envisat a été construit pour durer cinq ans dans l’espace. Ses deux prédécesseurs
ERS-1 et ERS-2 ayant dépassé de manière significative leur durée de vie annoncée,
les scientifiques espèrent pouvoir l’utiliser encore plusieurs années après sa date
théorique d’obsolescence. Aujourd’hui, en ce début de l’année 2007, il est d’ailleurs
parfaitement opérationnel.
Deux principaux sites gèrent le satellite depuis la Terre. L’ESRIN, à Frascati en Italie (à
une vingtaine de kilomètres de Rome), est le quartier général de l’ESA (l’Agence spatiale européenne) concernant les activités d’observation de la Terre. Toutes les données collectées par ENVISAT transitent par ce centre.L’ESOC (European Space Operations
Centre ou Centre européen d’opérations spatiales) à Darmstadt en Allemagne a lui la
responsabilité du pilotage du satellite. Depuis sa séparation du lanceur jusqu’à sa
future désorbitation finale quand il aura terminé sa vie, le satellite reste sous la surveillance du centre qui peut, à tout moment, procéder à une correction de trajectoire.
Les dix instruments de mesure à bord d’Envisat
ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) est un radar à synthèse d’ouverture, c’està-dire qu’il utilise le mouvement du satellite pour simuler une antenne de très grande
taille et ainsi atteindre une résolution très fine (la résolution d’un radar est proportionnelle à la taille de son antenne). Il recombine les échos radars reçus successivement
par l’antenne de dix mètres orientée dans le sens du vol : le signal s’apparente à celui
qui aurait été obtenu par une antenne de plusieurs kilomètres de long.
MERIS (Medium Resolution Imaging Spectometer) prend des photos de la surface
de la Terre et des nuages dans le domaine de la lumière visible et dans quelques
bandes du spectre infrarouge.
RA-2 (Radar Altimeter 2) est un radar qui mesure la hauteur du satellite à la surface
de la Terre avec une précision de 4,5 cm (sur 800 km).
MWR (Microwave Radiometer) est associé à RA-2. Il mesure la quantité de vapeur
d’eau dans l’atmosphère pour corriger les données fournies par RA-2.
GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) est un spectrographe qui
suit du regard certaines étoiles. En réalisant leur spectre lorsque leur lumière traverse
l’atmosphère terrestre, il peut mesurer la densité de l’ozone terrestre entre 20 et
100 km d’altitude.
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MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) observe l’atmosphère dans l’infrarouge, traquant la signature spectrale d’une série de gaz. Il peut
ainsi faire une carte des polluants industriels et des gaz à effet de serre.
AATSR (Advanced Along-Track Scanning Radiometer) scanne terres et océans dans
le visible et l’infrarouge afin d’en mesurer la température.
DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) mesure
la position (à 4,5 cm près) et la vitesse (à 0,4 mm/s près) du satellite. Des réflecteurs lasers permettent la calibration de DORIS et RA-2 à partir de la Terre.
SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY) cartographie l’atmosphère dans le visible et l’infrarouge, permettant ainsi la
détection de nombreux gaz à l’état de trace.
Quelques chiffres
– Le satellite pesait 8 200 kg au lancement, dont 300 kg de carburant destinés au
contrôle orbital.
– Son envergure est de 25 mètres de long (sur 10 mètres de large et 7 mètres de
hauteur) une fois que le panneau solaire et que le radar ASAR sont déployés.
– Son panneau solaire de 70 mètres produit 6 600 watts destinés à l’alimentation
des instruments scientifiques embarqués.
– Positionné sur une orbite de 800 km d’altitude, il fait le tour de la Terre toutes les
101 minutes et survole l’intégralité du globe en trois jours.
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Ressources
À LIRE
– Collectif, Utilisation pédagogique des images satellitaires, Université d’été internationale d’observation de la Terre, Marseille 1992, éditions Cépaduès, 1993.
– ACHACHE José, Les Sentinelles de la Terre. Hachette Littérature, 2004. Le livre qui a
inspiré la série documentaire. Style enquête journalistique.
– CAPDEROU Michel, MÉGIE Gérard, Satellites, Orbites et Missions, Springer, 2003.
– CAZENAVE Anny, L’Observation spatiale de la mer, « Planète océane : l’essentiel de la
mer », éditions Choiseul, 2006, pp. 441-448.
–CAZENAVE Anny,MASSONNET Didier,La Terre vue de l’espace,Belin,coll.«Pour la science»,2004.
– COUILLARD Philippe, Lanceurs et Satellites, éditions Cépaduès, 2004. La physique de
l’aérospatiale et des satellites. Ouvrage de référence.
– DE FELICE Pierre, L’Image de la Terre : les satellites d’observation, L’Harmattan, 2005.
– MASSONNET Didier, « L’interférométrie radar par satellite », notes de séminaire, Pour la
science, avril 1997.
– ROBIN Marc, La Télédétection, Nathan Université, coll. « Fac. géographie », 1995.
Niveau universitaire mais accessible à tous.
– ROUGÉ Bernard, LATRY Christophe, « Les yeux de lynx de Spot 5 », La Recherche, l’actualité des sciences, décembre 2002.
À VOIR
– La Conquête de l’espace, vol. 21, « La Terre sous surveillance », réalisation SVS
Production, éditeur UMK collections, DVD.
À CONSULTER
– http://envisat.esa.int. Porte d’entrée du programme Envisat. Parfois en français.
– http://smsc.cnes.fr/Fr/terres.htm. Le site du CNES.
– www.cnes.fr/web/818-comprendre-le-monde-vegetal.php. Introduction au programme végétation.
– www.educnet.education.fr/obter. Le site du ministère de l’Éducation nationale sur
l’observation de la Terre par télédétection.
– www.educnet.education.fr/espace/satimg.htm. Banque d’images satellitaires.–
www.futura-sciences.com/comprendre/d/dossier41-2.php. Un dossier complet
sur Envisat. En français et vulgarisé.
– www.futura-sciences.com/news-radar-envisat-veille-poisson-prehistorique_7622.php.
Un article sur Envisat et la surveillance de la pêche.
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– www.wmo.ch/web/sat/fr/chap6.htm. Exposé des diverses méthodes de la télédétection.
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