Contexte

Le projet Merlin est né de la volonté commune franco-allemande de développer un satellite innovant dédié au climat et à la surveillance des gaz à effet de serre. Cette mission a pour objectif la mesure et la restitution des flux de méthane (CH4) contenus dans l'atmosphère, à l'échelle planétaire.

Le méthane (CH4) est le deuxième gaz à effet de serre après le dioxyde de carbone (CO₂). Les principales sources anthropiques de CH4 sont les émissions provenant de la production d’énergie, les décharges, le traitement des déchets, les bovins, les rizières, et la combustion incomplète de la biomasse. Il existe également d’importantes sources naturelles de CH4 provenant des zones humides notamment. Ainsi, ce gaz contribue de façon significative au réchauffement du climat de la Terre.

La compréhension du cycle du méthane est encore très largement imparfaite, y compris à l’échelle planétaire en ce qui concerne la quantification des différents types d’émissions. L’objectif de Merlin est d’améliorer cette situation en apportant des données de méthane sur toute la Terre.

La mission Merlin se base sur un petit satellite qui mesurera les colonnes de méthane atmosphérique à l'échelle mondiale. La composante spatiale de la mission est constituée d'une nouvelle plateforme de la série Myriade Evolutions pour des satellites de 400 kg, développée sous le contrôle du CNES, et du premier Lidar (Light Detecting And Ranging) IPDA (Integrated Path Differential Absorption) développé sous la responsabilité de l’agence spatiale allemande (DLR). 

Le principal objectif scientifique est de fournir des données essentielles à l’amélioration significative des calculs de flux de méthane (CH4).

Aujourd’hui, l’estimation des émissions de méthane peut se faire soit par des mesures directes de flux et des inventaires d’émissions (approche montante), soit par l’inversion d’observations atmosphériques de méthane à l’aide d’un modèle de chimie-transport (approche descendante). Cette seconde approche s’appuie sur les réseaux d’observations de surface (très précises mais inégalement réparties) et sur les reconstructions existantes de colonnes de méthane par télédétection spatiale passive.

Même si ces méthodes passives amènent un grand nombre de données supplémentaires pour comprendre l’estimation du cycle du méthane, elles demeurent peu précises, sujettes aux biais (exemple aérosols) et de grandes zones d’importance pour le cycle du méthane restent très peu observées (hautes latitudes, zones nuageuses).

Le Lidar CH4 : un instrument précis, une couverture mondiale

L’instrument actif Lidar CH4 de Merlin permettra de fournir des données plus précises que les instruments passifs actuels. En effet, la faible empreinte au sol, de l’ordre de 100 m, et l’absence de biais dus à la présence de couche de particules dans l’atmosphère, devraient permettre de reconstruire une colonne de méthane même en situation météorologique complexe.

Par ailleurs, Merlin sera en capacité d’apporter des données notamment sur des zones clefs pour le cycle du méthane, qui ne sont à l’heure actuelle pas ou peu couvertes : l’Arctique, l’Eurasie, et les zones tropicales des différents continents.

Un réchauffement de la planète, en particulier dans les régions boréales, pourrait favoriser la fonte du pergélisol qui contient des quantités importantes de méthane. Il existe aussi des gisements d’hydrates de méthane sur les plateaux continentaux océaniques qui pourraient être vulnérables au réchauffement des océans. Autre exemple d’importance, la modification du régime des précipitations tropicales ou boréales, associée à l’évolution du climat, pourrait fortement affecter les émissions de méthane des zones inondées, qui constituent, à travers le développement de bactéries favorisant la décomposition de la matière organique, la première source de méthane à l’échelle planétaire.

Le développement et la mise en œuvre d’un système d’observation et de suivi pour la détection des émissions de CH4 dans ces zones vulnérables a donc une grande importance scientifique. Le Lidar CH4 Merlin se veut le démonstrateur d’une réponse pertinente à ces enjeux scientifiques majeurs.

Déroulé du projet

Ce projet franco-allemand a été initié en 2010 mais a subi un décalage important lié à la spatialisation de la technologie du laser de l’instrument. La livraison de l’instrument est prévue mi 2028 pour un lancement fin 2029. D’ici là, la plate-forme, assemblée en 2023 est en stockage et régulièrement vérifiée.

Organisation

La mission Merlin réunit les participants suivants :

• Le CNES (Centre National d’Études Spatiales), l’agence spatiale française
• Le DLR, le Centre Aérospatial Allemand
• Des laboratoires français et allemands
• Des acteurs de l’industrie française et de l’industrie allemande

Les engagements du CNES et du DLR dans le cadre du projet Merlin sont les suivants :

Le CNES, en sa qualité de maître d’œuvre du système et du satellite :

• Dirige les activités système et satellite, parmi lesquelles la définition de l’architecture du système et la conception du satellite autour d’une plateforme Myriade Evolutions.
• Est responsable du segment sol de contrôle (CGS) du satellite.
• Est responsable du développement du centre de traitement des données ainsi que des chaînes opérationnelles de niveaux 0, 2 et 3.

Le DLR, en sa qualité de maître d’œuvre de la charge utile :

• Dirige les activités liées au développement de la charge utile Lidar IPDA.
• Est responsable du centre d’exploitation de la charge utile (PLOC).
• Est responsable du développement de la chaîne opérationnelle de niveau 1.

Un Groupe Consultatif Scientifique, co-présidé par deux PI (un français, un allemand), est composé des principaux spécialistes des aspects scientifiques du projet et conseille sur :

• La formulation des objectifs détaillés de la mission scientifique et de leur traduction en exigences d’observation et de conception du système.
• La définition des études scientifiques afin de démontrer les intérêts scientifiques de la mission.
• La définition des méthodes de traitement et la définition des produits scientifiques.
• Le support en traitement sol, y compris l’accès aux données et la fourniture de données.
• L’étalonnage de la charge utile au sol et en vol.
• Le choix des méthodes et la précision de validation géophysique.
• L'élaboration d’un plan de management scientifique conjoint portant sur le traitement et l’exploitation des données.

Autres participants

Le CNES a confié la maîtrise d’œuvre du satellite à Airbus Defence and Space France Toulouse. Ainsi, ses responsabilités consistent en la conception, le développement et la validation de la plateforme d’une part, et l'ingénierie, l’intégration, les essais, la vérification et la validation du satellite, incluant son transport jusqu’à la base de lancement et la campagne de lancement, d’autre part.

Airbus Defence and Space GmbH est le maître d’œuvre industriel chargé du développement de l’instrument Lidar IPDA de Merlin et du développement des composantes sol impliquant une participation allemande. Il coordonne les travaux de tous les sous-traitants.

L’organisation de l’équipe projet industriel chargée du développement du segment sol de contrôle repose sur un consortium dirigé par la société de services informatiques Atos.

Le développement du segment sol mission sera confié à un industriel après appel d’offres, sur la base des entrées du CNES, du DLR et des laboratoires scientifiques franco-allemands associés.

En effet, les laboratoires français et allemands sont impliqués dans diverses activités du projet Merlin telles que le développement d’un simulateur de données numériques, la contribution au document de description des algorithmes scientifiques, la caractérisation spectroscopique de la raie du méthane, la participation à la définition des méthodes et des campagnes de validation et d'étalonnage en orbite.