De nombreux satellites ont ainsi été lancés pour observer le cycle de l’eau. Décortiquons ensemble leurs capacités d’observations pour étudier ses variations.

Cette première partie représente les entrées et les sorties du cycle de l’eau. L’eau arrive sur les surfaces continentales au travers de précipitations. Une partie repart dans l’atmosphère par évaporation et transpiration des sols et des plantes appelée évapotranspiration. Enfin, une autre partie repart vers l’océan par écoulement. Ces 3 grands paramètres sont observés par de nombreux satellites qui embarquent plusieurs types de technologies spécialement conçues pour leurs observations.

Cette simple soustraction détermine la variation du stock d’eau total présent sur les surfaces continentales qui peuvent se décomposer en 3 éléments : les eaux de surfaces (comme les lacs, les rivières, le manteau neigeux, les glaciers), l’eau contenue dans les 1ers cm du sol (aussi appelée humidité du sol qui permet aux plantes de grandir), et enfin les eaux souterraines qui ne peuvent pas être immédiatement observées par satellite mais qui forment des masses d’eau tellement conséquentes qu’elles influent sur le champs de gravité terrestre, qui lui, est mesuré par satellite.

On voit ainsi que tous les paramètres du cycle de l’eau sont observés par satellite.

Bien évidemment, les satellites ont aussi leurs limites comme les conditions nuageuses pour ceux qui observent dans le visible, ou qu’un même point ne soit observé que tous les quelques jours suivant l’orbite, ou encore une faible résolution spatiale due à des limitations technologiques. Ils fournissent néanmoins de précieuses informations de très haute qualité en tout point du globe qui nous permettent de mieux comprendre le cycle de l’eau et d’adapter nos usages.

Les satellites ont révolutionné l’océanographie, ils bouleversent aujourd’hui l’hydrologie. La mission franco-américaine SWOT en est la pierre angulaire.

Grâce à 2 antennes radars situées aux extrémités d’un mât de 10 m, l’instrument KaRIn effectue des mesures le long d’une fauchée large de 120 km. Cette large trace au sol permet d’accéder aux informations des niveaux d’eau des fleuves, ainsi que des lacs et des zones d’inondation avec une précision de l’ordre de 10 cm et de quantifier les pentes avec une précision inférieure à 2 cm par km.

Les données de la mission SWOT permettent d’estimer les débits des grands fleuves, de déterminer les variations au cours du temps des lacs, réservoirs et zones humides, qui stockent l’eau en surface. Le nombre de lacs d’une superficie supérieure à 1 ha observés par SWOT est estimé à 30 millions.

Sur la région toulousaine, nous reconnaissons très bien les rivières importantes de la zone, mais également le canal du midi qui possède une largeur d’environ 15 à 20 mètres. Nous voyons très nettement les lacs et les gravières ainsi que certaines petites retenues collinaires.

La capacité d’observation de la mission est donc largement meilleure aux attentes définies avant son lancement ouvrant la voie à de nombreuses applications sur ces petites surfaces d’eau qui jouent un rôle si important à l’échelle de ce bassin.

Le satellite SWOT surveille les fleuves, de largeur supérieure à 100 mètres, voire moins.

Trois produits sont délivrés aux utilisateurs. Ils ne sont calculés que pour les fleuves répertoriés dans une base de données préexistante. L’enregistrement y est fait par segment de 10 km de long.

Premier produit : le produit par segment. Lors du passage de SWOT sur un fleuve, les observations sont rattachées aux différents segments prédéfinis dans la base de données. Le produit contient la valeur moyenne de la hauteur, de la largeur, de la pente et du débit du fleuve pour chaque segment.

Deuxième produit : le produit par point. Le long de la ligne centrale du fleuve, un point est défini tous les 200 m. Le produit contient la hauteur et la largeur du fleuve au niveau de chaque point.

Enfin, le produit par cycle. Un fleuve peut être observé, 1, 2,3 4 fois et même jusqu’à 12 fois aux hautes latitudes, par cycle de 21 jours. Pour chaque segment, le produit compile les informations disponibles obtenues durant l’ensemble du cycle.

Le nombre de segments de fleuves observés par SWOT est de plus de 210,000 sur l’ensemble des continents.

Le satellite SWOT surveille également la hauteur, la superficie et l’évolution du stock d’eau dans le temps pour des lacs de taille supérieure à 6 ha, voire moins. Plusieurs millions de lacs sont ainsi observés chaque cycle.

Les produits fournis aux utilisateurs sont de 2 types.

Le produit Single Pass, lors d’un passage sur un lac, contient la superficie, la hauteur d’eau, et l’évolution du stock d’eau. Si on dispose de la bathymétrie, c’est-à-dire le relief du fond du lac, on peut alors disposer de la valeur absolue du stock d’eau.

Le produit Moyenne par Cycle contient la hauteur et la superficie moyenne d’un lac par cycle de 21 jours. Au cours de ce cycle, un lac peut être observé 1 fois à l’équateur jusqu’à 12 fois aux hautes latitudes. Dans certains cas, un lac est observé partiellement sur un passage, le complément est obtenu lors du passage suivant. Dans ce cas, le produit permet une combinaison de la superficie.

Ces 2 produits permettent le suivi d’un lac au cours du temps. Par exemple ici, le lac Issyk-Koul au Kirghizistan. Il mesure 180 km de long par 60km de large et il est possible de surveiller l’évolution de sa hauteur et de sa superficie tout au long de l’année.

Dans le cadre de la mission SWOT et de THEIA, le pôle surfaces continentales de Data Terra, le CNES a développé un centre de production hydrologique et un hub thématique de distribution, hydroweb.next, afin de promouvoir un large accès aux données hydrologiques issues des observations satellites.

Ces solutions répondent aux besoins des utilisateurs de la communauté hydrologique : laboratoires de recherche, agences de l’eau, ONG, secteur privé, etc.

Le centre de production exploite régulièrement des algorithmes innovants pour la détection de l’eau, sa hauteur, sa qualité et la détermination de la couverture neigeuse fractionnée sur la base des observations de Sentinel-1 et Sentinel-2. D’autres variables seront ajoutées, tels que la température de l’eau et l’étendue et l’évolution de volume des réservoirs.

hydroweb.next est une plateforme de distribution destinée aux hydrologues. Elle offre un accès gratuit aux données et à des services (recherche avancée de produits, visualisation sur une carte ou d’une série temporelle, téléchargement, analyses, etc.). Le catalogue de données comprend non seulement les produits exploités dans le centre de production, mais aussi des produits provenant d’autres portails THEIA, les produits SWOT et d’autres produits externes. Ces produits externes peuvent provenir de n’importe quelle source pour autant qu’ils présentent un intérêt pour les utilisateurs et qu’ils soient accessibles au public. Ils peuvent être dérivés non seulement d’observations par satellite, mais aussi de mesures in situ, de modèles physiques ou encore de données aériennes.

Une nouvelle révolution se prépare aujourd’hui, avec la mission de démonstration TRISHNA en coopération avec l’agence spatiale indienne, l’ISRO. Cette mission dont le lancement est prévu pour 2026 embarquera à son bord un instrument thermique en plus d’un instrument optique, ce qui nous permettra d’avoir simultanément accès à des informations de température en plus d’une image dans le visible. Ces informations fusionnées permettront d’estimer le stress hydrique des plantes, avec une revisite inédite tous les 3 jours et à une résolution de 60 mètres ! Cette mission est précurseur de la mission Copernicus LSTM qui, elle, sera opérationnelle avec 2 satellites prévue pour 2028 et 2030. Un nouveau pan pour les applications, notamment dans le domaine de l’agriculture, va s’ouvrir grâce à ces nouvelles observations, et permettra à la science d’améliorer nos connaissances pour une meilleure gestion de nos ressources en eau !

Parmi les autres missions spatiales préparées au CNES, il y a la mission AOS en coopération avec la NASA et l’agence spatiale japonaise la JAXA, qui étudiera les processus atmosphériques grâce à une constellation de 2 satellites, ce qui permettra d’améliorer nos connaissances sur les précipitations qui sont l’entrée principale de notre cycle de l’eau terrestre.

Il y a également la mission NGGM/MAGIC de l’ESA et de la NASA pour améliorer nos connaissances du champ de gravité terrestre et de ses variations qui nous permettent de déduire les masses d’eau souterraine.

La mission Sentinel-3 nouvelle génération topographie, reprend le concept de SWOT avec une altimétrie nadir couplée à une large fauchée afin de mesurer les hauteurs d’eau de manière opérationnelle.

Le CNES travaille également sur une constellation de plusieurs nano satellites embarquant des altimètres nadir afin d’assurer une revisite quasi journalière sur certains lacs et rivières.

Les satellites sont de formidables outils pour acquérir des observations en tout point du globe. Cependant, ce ne sont pas des mesures directes et ils requièrent des réglages très fins de leurs instruments à bord et des modèles qui permettent de transformer les observations en une information intelligible et utile.

Afin de calibrer au mieux et de valider les produits de ces satellites, il est indispensable de disposer de mesures directes sur le terrain. Ces mesures permettent ainsi d’étudier les processus de manière détaillée à un endroit donné, et de pouvoir ainsi qualifier et valider les informations du satellite qui sont ensuite distribuées au public.

Ces données peuvent être récoltées manuellement lors de campagne terrain ou via des dispositifs installés et laissés sur place au bord de rivière, de lacs, de terrains agricoles, etc. Elles peuvent être mises à disposition ensuite sur les portails de données tels qu’hydroweb.next ou Data Terra.