Lac Aylmer photographié le 27 avril 2023 dans le cadre de la phase de calibration et de validation du satellite SWOT - Crédits : Université de Sherbrooke, 2023.

Le Canada possède le plus grand nombre de lacs au monde. Avec environ 2 millions de lacs, ce pays représente 60 % des lacs de la planète. Il constitue à ce titre un terrain d’observation propice à la récolte de données pour le satellite SWOT qui emporte à son bord un radar interférométrique nommé KaRIn.

Cet instrument, développé par le JPL (Jet propulsion Laboratory) et dont l’unité radiofréquence (RFU) a été fournie par le CNES avec son partenaire industriel Thales Alenia Space, est capable de mesurer les hauteurs d’eau des rivières, lacs et zones inondées avec une précision inégalée. Placé sur une orbite de calibration et de validation, le satellite a survolé quotidiennement au cours du mois d’avril 2023 la région des lacs Aylmer et Saint- François collectant ainsi de grandes quantités de données sur ces lacs.

Les traitements réalisés par les ingénieurs du CNES et du JPL à partir des données brutes transmises par le satellite permettent de générer les images présentées dans cet article. Ces images se présentent sous la forme de pixels en échelle de gris dont l'intensité dépend de la puissance du signal radar renvoyé par le terrain vers le satellite. Pour faciliter la lecture et l'interprétation de ces images lors de la période calibration et de validation, les chercheurs de l'Université de Sherbrooke au Canada les ont comparées avec des images prises in situ.

Fonte des glaces du mois d’avril 2023 : Lac Aylmer et lac Saint François (Canada) - Crédits : Université de Sherbrooke, 2023.

Acquises à un mois d’intervalle, les images ci-dessus montrent le dégel des lacs Aylmer et Saint-François au Canada. Les veines les plus étendues représentent les lacs Aylmer, Saint-François et différents petits lacs, tandis que les veines les plus fines indiquent des traces de rivières et ruisseaux. Ces veines sont entourées de zones grises plus foncées caractérisant la surface terrestre. 

Localiser l’eau et distinguer ses différents états

Sur les images satellites, les niveaux de gris reflètent l'intensité du signal radar renvoyée par la surface de l'eau. Cette intensité est principalement déterminée par la rugosité de l’eau. Une rugosité significative à l'échelle de la longueur d'onde du radar (8,6 mm pour KaRIn) génère un signal fort, se traduisant par un niveau de gris très clair, voire blanc. Cette rugosité est influencée à la fois par le vent et les courants. En revanche, lorsque l'eau est complètement lisse, sans vent ni remous, elle agit comme un miroir et dévie le signal radar. Peu de signal retourne alors vers le radar, ce qui se traduit par une apparence noire de l'eau sur les images. Les ingénieurs ont appelé ce phénomène "dark water".

Souvent enfouie sous un manteau de neige, l’eau gelée constitue un état intermédiaire entre l'eau agitée par le vent ou les remous, et l'eau parfaitement lisse. Elle est ainsi représentée par un niveau de gris moyen.

Les surfaces terrestres, quant à elles, présentent une teinte plutôt sombre, en particulier lorsqu’elles sont couvertes de végétation, comme dans cette région boisée du Québec.

En comparant les niveaux de gris des images prises à différentes dates, il est dès lors possible d'observer le processus de dégel des lacs dans l'animation et d’identifier les zones d'eau dégelée et agitée sur une image où la majeure partie de l'eau est gelée. Cette évolution est notamment illustrée par les petites taches blanches sur la première image du cycle 484 (7 avril 2023). À d'autres dates, une partie de l'eau dégelée apparaît, au contraire, en noir, en raison du phénomène de "dark water". Les images quotidiennes acquises par l'équipe du professeur Mélanie Trudel de l'Université de Sherbrooke offrent ainsi un aperçu de l'évolution du dégel sur une portion du lac Aylmer.

Sur l'image du cycle 500, l’assombrissement général constaté et le niveau de gris intermédiaire de l'eau résultent de la pluie. En effet, cette dernière peut exercer un effet d'atténuation sur le signal radar, modifiant par la même occasion la rugosité de la surface de l'eau.

En résumé, ces images mettent en lumière les capacités du satellite SWOT, notamment à repérer les eaux de surfaces continentales telles que les lacs ou les rivières, et à distinguer les différents états de l'eau : rugueux, lisse ou gelé.

SWOT offre une cartographie précise de plus de 90 % des eaux à la surface du globe, une connaissance essentielle pour améliorer la gestion de cette ressource. Ces données revêtent une importance cruciale dans la compréhension et la prévision des phénomènes liés aux écoulements d'eau, tels que l'érosion, la sédimentation, la dispersion des polluants, la production d'énergie hydroélectrique, l'irrigation et la navigation.

En savoir plus sur la mission SWOT

Lancée depuis la base de l’US Space Force de Vanderberg en Californie, SWOT est une mission en collaboration entre le CNES et la NASA avec des contributions de l’Agence spatiale canadienne (ASC) et de l’Agence spatiale du Royaume-Uni (UKSA).

L’objectif de SWOT est de fournir des mesures à haute résolution de la hauteur de l’eau dans les océans et des surfaces d’eau continentales du monde entier, avec une précision inégalée. Il permettra de mieux comprendre le rôle de l’océan dans le changement climatique et aidera les communautés locales à surveiller et à planifier les changements dans les ressources en eau et les effets de la montée des eaux. 

Dans le cadre de cette coopération internationale, le CNES est en charge de la fourniture de l’orbite précise du satellite avec l’instrument DORIS, de l’altimètre nadir Poséidon ainsi que du sous-système radiofréquence, cœur de l’instrument KaRIn. Il fournit également la plateforme du satellite développée par Thales Alenia Space, le réseau de stations de réception, ainsi que le segment sol de contrôle. En outre, le CNES a développé une partie des algorithmes de traitement des données KaRIn, et son segment sol de mission traite les données SWOT au fil de l’eau.

La NASA fournit l’instrument KaRIn (intégrant le sous-système radiofréquence fourni par le CNES et des éléments fournis par l’ASC, UKSA), un récepteur GPS, un rétro-réflecteur laser, un radiomètre à micro-ondes à deux faisceaux. 

Enfin, elle a fourni le système de lancement du satellite et est en charge des campagnes de retraitement global des données de l’instrument KaRIn.

Pour en savoir plus sur la mission, rendez-vous sur la page projet de SWOT.