Terra (satellite)

thumb|Logo de la mission

Terra (EOS AM-1) est une mission spatiale de la NASA placée en orbite en 1999 pour explorer les interactions entre l'atmosphère, les terres, les régions enneigées, la glace et les océans ainsi que la balance énergétique. L'objectif est de comprendre le climat de la Terre et son évolution ainsi que de cartographier l'impact de l'activité humaine et des désastres naturels sur les communautés humaines et les écosystèmes. La mission utilise un satellite d'observation de la Terre de grande taille (plus de 5 tonnes), embarquant cinq instruments dont deux développés par le Canada et le Japon. Le satellite a été mis en orbite fin 1999 sur une orbite héliosynchrone et est toujours opérationnel en 2025. Terra est la principale mission du programme Earth Observing System (EOS) qui regroupe des moyens spatiaux dont l'objectif est de déterminer l'étendue, l'origine et les conséquences du changement climatique en cours. Terra est un satellite de grande taille (plus de cinq tonnes) qui emporte cinq instruments dont trois sont fournis par la NASA et deux par le Japon et le Canada.

Contexte

Changement climatique

Le réchauffement climatique, l'élévation du niveau des mers, la désertification, la destruction de la couche d'ozone, les pluies acides, la diminution de la biodiversité sont autant d'exemples de changements environnementaux qui touchent de manière croissante la planète. Le bien-être de l'humanité repose de plus en plus sur notre capacité à comprendre les facteurs à l'origine de ces phénomènes de manière à pouvoir prédire leurs impacts futurs et prendre les mesures appropriées permettant de prévenir une aggravation de la situation. C'est ainsi que les recherches scientifiques sur l'ozone stratosphériques dans les années 1970 ont débouché en 1987 sur le protocole de Montréal imposant la suppression de l'utilisation des CFC dans le but de stopper la destruction de la couche d'ozone.

Création du programme EOS

Ce constat est à l'origine d'une initiative du président des Etats-Unis approuvée par le Congrès américain qui a débouché sur la création en 1990 par la NASA du Earth Science Enterprise (ESE) destiné à mieux comprendre les changements environnementaux en réalisant des mesures à l'aide d'instruments installés à bord d'engins spatiaux, installés au sol et aéroportés. ESE constitue la contribution de la NASA à un programme américain plus global l'U.S. Global Change Research Program (USGCRP). Le programme Earth Observing System (EOS) constitue le cœur de l'ESE. Ses objectifs sont de déterminer l'étendue, l'origine et les conséquences régionales des changements climatiques globaux. Il étudie le cycle de l'eau et de l'énergie, les océans, la chimie de la troposphère et de la basse stratosphère, l'hydrologie au sol et les processus des écosystèmes, les glaciers et calottes polaires, la chimie des couches moyenne et haute de la stratosphère, la terre solide.

Développement du programme EOS

Le programme EOS comprend un volet scientifique, un programme de gestion des données collectées et un segment spatial comprenant plusieurs satellites circulant sur une orbite polaire. En 1988, la NASA lance un appel à contributions pour la sélection de 30 instruments embarqués et des équipes scientifiques. À la suite de contraintes budgétaires imposées par le Congrès, le programme est restructuré en 1991-1992 et le budget est divisé par deux ce qui entraine l'élimination de l'instrument HIRIS et la réduction du nombre total d'instrument à 17. De plus, les satellites voient leur taille revue à la baisse. Le programme subit une nouvelle baisse de budget (9 %) en 1994 qui entraine l'élimination de la mission embarquant un radar et un altimètre laser (deux missions distinctes embarqueront ces instruments par la suite). Ces réductions budgétaires entrainent également un abaissement de la fréquence des lancements de 5 à 6 ans tandis que certains instruments sont embarqués sur des missions des partenaires de la NASA (NASDA, RKA, CNES, ESA). Certains des instruments sont finalement développés par des partenaires internationaux (instruments ASTER, MOPITT, HSB, OMI) ou dans le cadre d'un partenariat avec le Royaume-Uni (HIRDLS). Il était prévu de développer trois séries de missions : satellites du matin (franchissant la ligne des noeuds le matin), satellites de l'après midi et satellites destinés à l'étude de la chimie de l'atmosphère. En 1999 cette planification est affinée et la construction des satellites suivants est lancée : Landsat-7, QuikSCAT, Terra, ACRIMSat, Aqua, Aura et ICESat.

Construction de Terra

Au sein de l'EOS, Terra constitue la principale mission spatiale. La construction du satellite est confiée au constructeur aérospatial américain Lockheed Martin, tandis que le développement des instruments scientifiques est pris en charge par les établissements de la NASA ainsi que des partenaires japonais et canadien. Le cout de développement de la mission est de 1,3 milliard US$ (1999). Ce cout comprend le développement du satellite, son lancement et les instruments développés par les laboratoires américains. Il ne comprend pas le cout du segment sol et des deux instruments développés par le Japon et les États-Unis. Le cout des opérations est évalué à 120 millions US$ pour les 6 premières années.

Objectifs de la mission

La mission Terra a pour objectif d'améliorer notre connaissance des propriétés physiques et radiatives des nuages, des échanges d'énergie de carbone et d'eau d'une part entre l'atmosphère et d'autre parte entre la surface et entre l'atmosphère et les océans, de mesurer les gaz à l'état de trace dans l'atmosphère et d'effectuer des observations dans le domaine de la volcanologie. Les objectifs scientifiques sont : Fournir les premières mesures globales et saisonnières du système Terre comprenant la productivité biologique des terres et des océans, la glace et la neige, la température de surface, la vapeur d'eau et la couverture terrestre ; Améliorer notre capacité à évaluer les impacts de l'activité humaine sur le système Terre et le climat, identifier les indices de ces impacts sur le climat et prévoir les changements climatiques en utilisant ces nouvelles observations globales dans les modèles climatiques ; Contribuer à développer les technologies facilitant la prévention des désastres, la caractérisation et la réduction des risques liés aux incendies, aux éruptions volcaniques, aux inondations et aux sécheresses ; Entamer une surveillance à long terme du changement climatique et environnemental.

En utilisant des mesures complémentaires réalisées à l'aide d'instruments aéroportés et de stations au sol, Terra doit permettre aux scientifiques de distinguer les changements liées à des phénomènes naturels de ceux induits par l'homme.

Caractéristiques techniques

Le satellite Terra a une forme parallélépipédique de la taille d'un petit bus (6,8 mètres de long, 3,5 mètres de côté) et a une masse au lancement de kg. Sa structure primaire est faite de poutres tubulaires en polymère renforcé de fibres de carbone qui lui confère une bonne rigidité tout en restant légère. Le satellite est stabilisé 3 axes. L'énergie est fournie par des panneaux solaires rassemblés en une seule aile d'une superficie de (9 x 5 mètres) déployée en orbite et orientable. Les cellules solaires solaires GaAs/Ge simple jonction fournissent au maximum 7,5 kilowatts en début de mission et 2,53 kW en moyenne. L'énergie est stockée dans une batterie nickel hydrogène comprenant 54 cellules. Les communications sont réalisées en bande Ku et bande S. Les télémesures et les données collectées par les instruments transitent par les satellites TDRS en orbite géostationnaire ce qui permet un transfert continu. Les données sont envoyées à l'aide d'une antenne parabolique orientable déployée au zénith. Les données scientifiques sont transmises en bande Ku avec un débite de 150 mégabits par seconde tandis que les commandes et les télémesures sont échangées en bande S. En fonctionnement normal, le satellite échange des données avec les satellites au cours de deux sessions de 12 minutes par orbite. Le satellite a été conçu pour une durée de vie de 6 ans.

thumb|600px|centre|Schéma du satellite Terra avec emplacement des cinq instruments.

Instruments scientifiques

Terra embarque cinq instruments d'une masse totale de 1155 kg utilisés pour surveiller l'état de l'environnement de la Terre et l'évolution de son climat :

ASTER

ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) est une caméra qui fournit des images à haute résolution dans 14 bandes spectrales allant de la lumière visible à l'infrarouge thermique. ASTER permet de réaliser des images tridimensionnelles permettant de reconstituer la topographie de la surface. ASTER est le seul instrument de Terra fournissant des images à haute résolution. À ce titre il est utilisé pour étalonner et valider le fonctionnement des autres instruments embarqués par Terra. ASTER est un instrument développé par des centres de recherche japonais dans le cadre d'une coopération mise en place entre la NASA et le Ministère de l'Économie, du Commerce et de l'Industrie japonais (METI). ASTER constitue une nouvelle génération d'instrument qui succède respectivement au Thematic Mapper des satellites américains Landsat et à l'OPS du satellite japonais JERS-1.

ASTER a une masse totale de 421 kg et consomme en moyenne 463 watts et en pic 646 watts. L'instrument est composé de trois sous-systèmes chacun développé par une société japonaise distincte disposant de son propre télescope et fonctionnant dans une bande spectrale dédiée : VNIR ( Visible and Near Infrared) recueille des images dans trois bandes spectrales en lumière visible et une bande spectrale dans le proche infrarouge. La résolution spatiale est de 15 mètres. La fauchée (largeur de l'image collectée) est de 60 km. Le télescope peut être orienté de 24° (± 318 km) de part et d'autre de la trace au sol du satellite. Le volume maximum de données collectés est de 62 mégabits par seconde. SWIR (Shortwave Infrared) collecte des images dans 6 bandes spectrales du proche infrarouge. La résolution spatiale est de 30 mètres. La fauchée (largeur de l'image collectée) est de 60 km. La ligne de visée de l'instrument peut être pointée de ±8,55° (± 116 km) de part et d'autre de la trace au sol du satellite à l'aide d'un miroir orientable. Le volume maximum de données collectés est de 23 mégabits par seconde. TIR (Thermal Infrared) collecte des images dans 5 bandes spectrales dans l'infrarouge thermique. La résolution spatiale est de 90 mètres. La fauchée (largeur de l'image collectée) est de 60 km. La ligne de visée de l'instrument peut être pointée de 8,55° (± 116 km) de part et d'autre de la trace au sol du satellite à l'aide d'un miroir orientable. Le volume maximum de données collectés est de 4,2 mégabits par seconde.

CERES vignette|Les deux instruments identiques CERES embarqués à bord de Terra.

CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System) mesure le bilan radiatif de la Terre et fournit des informations sur les nuages qui permettent de déterminer le rôle de ceux-ci dans les flux radiatifs qui partent de la surface en direction du sommet de l'atmosphère. CERES emporte deux instruments identiques. Le premier collecte des données selon le mode déjà utilisé par les instruments similaires (ERBE et TRMM) pour assurer une continuité par rapport aux mesures effectuées. Le deuxième utilise un mode bi axial, qui fournit des informations plus complètes.