L’objectif principal de la mission SMAP est d’évaluer la teneur en eau de la couche superficielle du sol et son état (gelée ou dégelée). Autre mission de reconnaissance pionnière de l’Agence spatiale européenne, les satellites HydroGNSS ont permis d’améliorer considérablement notre compréhension globale de la disponibilité en eau et de l’impact du changement climatique sur le cycle global de l’eau. Le satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography) permet d’évaluer le débit des cours d’eau, défini comme le volume d’eau s’écoulant par seconde en un point donné du cours d’eau.
Une décennie de surveillance mondiale du cycle de l’eau: la mission SMAP (Soil Moisture Active and Passive Monitoring) de la NASA. Lancée en 2015, la mission SMAP fournit plus de dix ans d’observations radiométriques mondiales en bande L. Les mesures à basse fréquence (1,4 GHz, soit une longueur d’onde de 21 cm) renseignent sur l’état de la surface terrestre quelles que soient les conditions météorologiques, indépendamment du rayonnement solaire. L’objectif principal de la mission SMAP est d’estimer la teneur en eau de la couche superficielle du sol et son état (gelé ou dégelé), comme l’indique un article paru dans la revue Proceedings of the IEEE (Proceedings of the Institute of Electrical and Electronics Engineers).
À la surface de la Terre, l’humidité du sol joue un rôle essentiel dans les cycles de l’eau, de l’énergie et du carbone. Ces trois cycles sont les principaux facteurs déterminant le climat régional et régulant le fonctionnement des écosystèmes.
Illustration de l’observatoire SMAP, montrant le radiomètre et le radar. NASA/JPL/Caltech
L’instrument principal du satellite SMAP est le radiomètre en bande L, qui recueille des données précises sur la température de brillance de surface. Ce radiomètre intègre des systèmes matériels et logiciels avancés pour détecter et supprimer les interférences radioélectriques (RFI). Il mesure la polarisation verticale et horizontale, ainsi que les troisième et quatrième paramètres de Stokes (T3 et T4) du rayonnement micro-ondes émis par la Terre. La perche et l’ensemble du réflecteur, comprenant un réflecteur à mailles transparentes déployable de 6 mètres de diamètre, tournent à 14,6 tours par minute, créant une bande de 1 000 kilomètres de large lorsque le satellite SMAP effectue une orbite héliosynchrone autour de la Terre. Cette méthode permet une couverture planétaire en deux à trois jours, avec une répétition précise tous les huit jours. Le radiomètre est calibré mensuellement en étant pointé vers des objets du ciel profond.
La conception initiale de l’instrument SMAP comprenait un radar en bande L associé, qui a fonctionné d’avril à début juillet 2015. Ce radar a acquis des données de rétrodiffusion radar en polarisation parallèle et croisée avec une résolution spatiale d’environ 1 km tous les trois jours au-dessus des terres émergées. Cette collecte de données a révélé la dépendance des signaux en bande L à l’humidité du sol, à la teneur en eau de la végétation et aux cycles de gel-dégel. L’émetteur radar est tombé en panne le 7 juillet 2015. Peu après, en août 2015, les canaux du récepteur radar ont été réaffectés à l’enregistrement des échos du système mondial de navigation par satellite (GNSS), faisant de SMAP le premier diffusiomètre GNSS entièrement polarimétrique spatial dédié à l’étude de la surface terrestre et de la cryosphère.
Une décennie d’observations de l’humidité des sols par le satellite SMAP a permis de nombreuses avancées scientifiques. Ces données ont servi à quantifier les interactions entre les trois principaux cycles métaboliques (carbone, eau et énergie) terrestres. Elles ont également permis d’améliorer l’évaluation des sécheresses et la prévision des inondations, ainsi que la précision des modèles de prévision numérique du temps (PNT). De plus, elles sont utilisées pour mesurer la quantité d’eau liquide et l’épaisseur des calottes glaciaires, ainsi que la salinité de la surface de la mer. Les sous-sections suivantes décrivent comment les données SMAP sont utilisées à diverses fins sociétales.
Régulation observée de la photosynthèse par la disponibilité en eau [à gauche] et la disponibilité lumineuse [à droite]. Le bleu indique une limitation plus marquée. Les taux photosynthétiques des deux cartes ont été déterminés à partir de mesures de fluorescence induite par le soleil (SIF) (mW/m² nm sr) avec l’instrument de surveillance de l’ozone troposphérique (TROPOMI) de la mission Copernicus Sentinel-5P de l’Union européenne. La disponibilité en eau a été déterminée à partir de mesures d’humidité du sol (SM) de la mission SMAP (Soil Moisture Active Passive). La disponibilité lumineuse a été déterminée à partir de mesures de rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) avec le spectroradiomètre imageur à résolution moyenne (MODIS) des plateformes Terra et Aqua de la NASA. Les cartes résultantes montrent la pente du modèle (mW/m² nm sr) de la relation SIF-SM estimée en conditions de déficit hydrique [à gauche] et la pente du modèle (10⁻³ nm sr) de la relation SIF-PAR estimée en conditions de déficit lumineux [à droite]. Jonard et al. (2022), dans la revue Biogeosciences.
L’objectif scientifique principal du projet SMAP est d’établir des points de repère observationnels démontrant les interrelations entre les cycles de l’eau, de l’énergie et du carbone sur les terres émergées. L’humidité du sol est une variable du cycle terrestre de l’eau. Elle assure le couplage entre le cycle de l’eau et le cycle de l’énergie en limitant le flux de chaleur latente – la variation d’énergie lors des échanges thermiques liés aux changements de phase de l’eau, comme l’évaporation à l’interface sol-atmosphère. L’humidité du sol assure également le couplage entre les cycles de l’eau et du carbone, comme en témoigne la photosynthèse des plantes. Les observations globales des champs d’humidité du sol réalisées par SMAP, combinées à la télédétection d’éléments des cycles de l’énergie et du carbone, peuvent révéler comment ces trois cycles sont liés dans le monde réel, servant ainsi de référence pour les modèles météorologiques et du système terrestre.
La photosynthèse est inhibée par la rareté de l’eau et par un rayonnement photosynthétiquement actif insuffisant. Des cartes mondiales montrent comment l’humidité du sol et la lumière régulent la photosynthèse. Ces observations de référence permettent d’évaluer la pertinence des modèles du système terrestre pour les trois principaux cycles métaboliques du système climatique.
Les produits SMAP sont également largement utilisés dans les sciences appliquées et les systèmes d’aide à la décision en cas de catastrophe. Les estimations de l’humidité du sol basées sur les observations SMAP fournissent des informations essentielles pour la gestion des catastrophes liées à l’eau, notamment pour le suivi de la sécheresse agricole (définie comme un déficit persistant d’humidité du sol) et des volumes d’inondation (définis comme la capacité du paysage à absorber l’eau lors des précipitations). Le projet SMAP crée un flux de données parallèle, quasi temps réel, auquel accèdent de nombreux organismes fédéraux et étatiques dans leurs systèmes d’aide à la décision relatifs à la surveillance de la sécheresse, à la sécurité alimentaire, aux inondations et aux capacités de transport.
Effet de l’ajout de données d’humidité du sol (assimilation de données SMAP moins absence d’assimilation) à une simulation du courant-jet de basse altitude des Grandes Plaines (GPLLJ) à l’aide du modèle de prévision météorologique unifié de la NASA (NU-WRF). Les résultats présentent la moyenne de 75 événements GPLLJ indépendants. Les graphiques correspondent à la variation de la vitesse du vent en fonction de l’altitude (axe des ordonnées) et du temps (heures sur l’axe des abscisses). Les panneaux correspondent à l’entrée du courant-jet (à gauche), à son cœur (au centre) et à sa sortie (à droite). L’assimilation de données d’humidité du sol augmente l’intensité du GPLLJ simulé. La zone hachurée représente un intervalle de confiance statistique de 99%. Ferguson (2020), Monthly Weather Review.
Les améliorations apportées aux prévisions numériques du temps, à la précision accrue des modèles et à la réduction de l’incertitude des prévisions climatiques grâce à SMAP reposent sur l’hypothèse que l’énergie solaire contribue à la dynamique du temps et du climat. L’humidité du sol influe fortement sur la répartition de l’énergie solaire disponible entre ses différentes composantes (par exemple, le flux de chaleur sensible et le flux de chaleur latente) à la surface des terres émergées. Cette influence se propage à travers la couche limite atmosphérique et, en définitive, détermine le développement des phénomènes météorologiques.
Un exemple en est l’influence des processus de surface terrestre sur l’évolution des courants-jets de basse altitude (JBA) au-dessus des Grandes Plaines américaines. Ces courants-jets alimentent les systèmes météorologiques convectifs de méso-échelle. Des études antérieures ont montré que les JBA sont sensibles aux gradients régionaux d’humidité du sol. L’assimilation des données d’humidité du sol SMAP améliore les prévisions des JBA faiblement synoptiquement induits ou non couplés, comparativement aux prévisions des JBA couplés induits par les cyclones. Par exemple, un modèle de recherche et de prévision météorologique unifié de la NASA (UNRF) intégrant 75 NLT à une résolution de 9 km (5,6 mi), avec et sans assimilation des données d’humidité du sol SMAP [respectivement avec et sans assimilation des données SMAP], montre que la différence moyenne absolue de vitesse du vent entre les deux conditions augmente de façon quasi linéaire au cours de la simulation, avec des différences maximales à 850 hPa (ou mb) à l’entrée et au cœur du courant-jet.
La fonte massive des calottes glaciaires du Groenland et de l’Antarctique contribue à l’élévation du niveau de la mer, l’une des conséquences négatives les plus graves et immédiates du changement climatique. L’accélération de cette fonte ces dernières années a suscité l’inquiétude dans le monde entier et affecte les pays côtiers. La communauté scientifique spécialisée dans la cryosphère a lancé un appel à l’action, exigeant la mise en œuvre de tous les systèmes d’observation et modèles disponibles pour suivre l’évolution et le rythme de la fonte des glaces terrestres.
La fonte de surface influence la perte de masse de la calotte glaciaire de multiples façons : écoulement direct des eaux de fonte depuis la zone d’ablation de la calotte glaciaire du Groenland, modifications structurelles de la zone d’infiltration de cette calotte, variations des limites de rétention et d’écoulement des eaux de fonte, modifications de la structure des plateformes de glace antarctiques et déstabilisation des mécanismes de soutien à l’écoulement glaciaire par divers processus (fracturation hydraulique et vêlage, par exemple). Les modèles climatiques à long terme et les modèles de bilan de masse s’appuient sur des représentations précises des processus de formation de la neige, du névé et de la glace pour prédire l’évolution future du niveau de la mer.
Le radiomètre en bande L de SMAP possède une longueur d’onde relativement importante [21 cm (8 pouces)] comparée à celle d’autres instruments d’observation de la Terre. Il permet de mesurer la teneur en eau liquide (TEL) des calottes glaciaires et des plateformes de glace en recevant le rayonnement émis en profondeur dans la colonne neige-névé-glace. Les valeurs de TEL relativement élevées n’absorbent que partiellement le rayonnement, ce qui rend la mesure sensible aux variations de l’abondance en eau liquide (AEL) dans toute la colonne. La figure 4 présente l’abondance cumulée en eau liquide pour la période 2015-2023, calculée à partir des mesures de SMAP.
Figure 4. Apport total annuel d’eau liquide (DLW) d’après les données SMAP pour la période 2015-2023. Le trait noir continu sur chaque carte représente les limites de la grille, et le masque gris à l’intérieur de la calotte glaciaire indique les zones de fonte détectées, d’après la diminution de la température de brillance. Andreas Colliander/Institut météorologique finlandais.
Le radiomètre en bande L de SMAP a également été utilisé pour déterminer l’épaisseur de la glace de mer mince [< 0,5–1 m (< 1,6–3,3 pi)] dans l’Arctique et l’océan Austral. Les données d’épaisseur de glace mince issues de la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de l’Agence spatiale européenne (ESA) ont été recalibrées pour SMAP en utilisant le même angle d’incidence fixe. Les données présentent une bonne concordance et mettent en évidence les avantages de l’ensemble de données combiné. Les données d’épaisseur de glace mince en bande L complètent utilement les profils de glace plus épais à plus haute résolution obtenus par altimètres satellitaires (par exemple, CryoSat-2 de l’ESA et ICLES-2 de la NASA).
Le projet conjoint NASA/SAC-D (Aquarius), mené de 2011 à 2015, a utilisé le radiomètre et le diffusiomètre en bande L pour créer des cartes mensuelles inédites de la salinité de surface des océans à l’échelle mondiale, avec une résolution de 150 km. Le radiomètre en bande L du programme SMAP a non seulement enrichi les données de salinité de surface depuis la fin d’Aquarius, mais a également amélioré la résolution spatiale et la fréquence temporelle de ces mesures grâce à son réflecteur plus grand et à sa fauchée plus large. Cette résolution et cette répétabilité accrues offrent des perspectives nouvelles et inédites sur les processus de mélange et les phénomènes liés aux eaux douces, le suivi des panaches côtiers et d’autres caractéristiques océaniques locales.
La densité optique de la végétation (DOV) en bande L, liée à la teneur en eau de la végétation, a été obtenue simultanément à l’humidité du sol grâce aux températures de brillance à double polarisation du satellite SMAP. Elle contribue à une meilleure compréhension de l’écologie globale. L’eau contenue dans les tissus végétaux aériens atténue et dépolarise ainsi le rayonnement micro-ondes de surface, et la DOV quantifie cet effet. SMAP fournit des observations globales de la DOV par tous les temps, avec une fréquence temporelle de deux à trois jours. Les variations de la DOV indiquent la réhydratation ou la croissance des plantes. Les écologues bénéficient de ces nouvelles observations écosystémiques, qui complètent les indices de végétation optiques et proche infrarouge (par exemple, l’indice de surface foliaire [ISF]). Ces observations présentent une fréquence temporelle plus élevée, ne sont pas affectées par la couverture nuageuse et ne saturent pas aussi rapidement en végétation dense.
Les données permettent notamment de distinguer les situations où la végétation absorbe l’eau du sol uniquement pour se réhydrater (augmentation de la VOD sans modification de l’indice de surface foliaire) de celles où les plantes croissent (augmentation simultanée de la VOD et de l’indice de surface foliaire). Les applications de la VOD se développent et la communauté environnementale considère ce produit comme une source d’information précieuse sur la relation entre le bilan hydrique du sol et celui des plantes.
Il n’existe actuellement aucun équivalent terrestre à cette méthode de mesure. Par conséquent, pour valider pleinement cette méthode comme nouveau moyen de surveillance de l’écologie mondiale, des expériences de terrain utilisant des instruments embarqués et des équipes d’échantillonnage au sol sont nécessaires.
Le projet SMAP a collaboré avec le programme des sciences appliquées de la division des sciences de la Terre de la NASA (désormais connu sous le nom de Earth Science in Action) et les communautés de surveillance et de prévision des catastrophes afin d’intégrer les produits SMAP à leurs opérations avant et après le lancement. Dans certaines applications opérationnelles nécessitant une continuité des données à long terme, les données SMAP continuent d’être utilisées pour évaluer les conditions actuelles et pour la recherche et le développement.
Estimations de l’humidité du sol pour la Californie, le Nevada, l’Arkansas, le Mississippi et la Louisiane, basées sur les données SMAP et utilisées par le Service national des statistiques agricoles (NASS) du département de l’Agriculture des États-Unis (USDA) dans son rapport hebdomadaire du 14 au 20 novembre 2022. Ces données spécifiques à chaque État sont disponibles sur le site web du NASS (lien dans le texte).
Avant son lancement, la mission SMAP a mis en place un programme visant à explorer et promouvoir l’utilisation appliquée et opérationnelle des données SMAP dans la prise de décision au service de la société. Pour atteindre ces objectifs, SMAP est devenue la première mission de la NASA à établir un programme d’applications et un programme d’adoption précoce (PAP) formels, qui sont par la suite devenus une exigence obligatoire pour toutes les futures missions de satellites d’observation de la Terre de la NASA. Le programme d’adoption précoce de SMAP permet de mieux faire connaître les produits de la mission, d’élargir la communauté d’utilisateurs, de renforcer la collaboration avec les utilisateurs potentiels, d’améliorer la compréhension des capacités des données SMAP et d’accélérer la diffusion et l’utilisation des produits de la mission après son lancement.
Plusieurs des réussites du projet ont été obtenues grâce à une collaboration active et continue avec les agences environnementales et les organismes opérationnels œuvrant dans l’intérêt national. Les données d’humidité des sols du programme SMAP sont utilisées par le Département de l’Agriculture des États-Unis (USDA) pour estimer les rendements agricoles aux niveaux national et international. Par exemple, le Service national des statistiques agricoles (NASS) de l’USDA réalise une enquête hebdomadaire sur l’état des cultures, leur stade de développement et l’humidité des sols sur les terres cultivées américaines. Le NASS mène des enquêtes et publie des données sur l’humidité des sols au niveau des États dans son rapport annuel sur l’état des cultures.
Les relevés traditionnels d’humidité des sols sur le terrain constituent des processus de collecte de données extensifs et laborieux, reposant en grande partie sur les réponses des agriculteurs, des conseillers agricoles et/ou d’autres experts qui fournissent des observations de terrain. L’une des limites de ces observations réside dans leur recours à des évaluations subjectives plutôt qu’à des mesures quantitatives, ce qui peut engendrer des incohérences spatiales selon les réponses des personnes interrogées dans les comtés concernés. De plus, les rapports du NASS sur l’état des cultures ne précisent pas la localisation géographique des mesures d’humidité des sols, une métadonnée pourtant essentielle pour les utilisateurs de données. Le NASS a intégré les observations SMAP dans ses rapports hebdomadaires durant la saison de croissance (mars-novembre).
Bien que SMAP fonctionne dans la bande de fréquences protégée de 1400 à 1427 MHz, le radiomètre a été exposé à des interférences radioélectriques tout au long de sa durée de vie opérationnelle. Depuis son lancement, les mesures de SMAP ont inclus des émetteurs non autorisés fonctionnant dans la bande passante, ainsi que des émissions hors bande provenant d’émetteurs fonctionnant à proximité du spectre alloué. Les radiomètres SMOS et Aquarius, lancés précédemment, ont démontré la présence d’interférences radioélectriques globales dans la bande L. Par conséquent, la conception de SMAP intègre un nouveau détecteur numérique embarqué pour détecter et filtrer les interférences radioélectriques. Le radiomètre génère des données scientifiques temporelles et fréquentielles, permettant l’utilisation de plusieurs méthodes de détection des interférences radioélectriques dans les logiciels de traitement de données au sol.
Les données en orbite montrent que la détection et le filtrage des interférences radioélectriques (IRF) fonctionnent bien et améliorent la qualité des mesures de température de brillance de SMAP. Les algorithmes sont particulièrement efficaces pour filtrer les IRF peu fréquentiellement et temporellement, avec un impact minimal sur la variation de température équivalente au bruit (NEDT), une mesure de la sensibilité du radiomètre. Certaines régions du globe restent problématiques, car des IRF très élevées et persistantes entraînent une perte de données importante due à la suppression des données contaminées. La carte mondiale du taux de détection des IRF pour janvier 2025 révèle un fort contraste entre les hémisphères Est et Ouest, ainsi qu’entre les hémisphères Nord et Sud. Les zones d’IRF isolées et intenses correspondent à des zones peuplées. Un taux de détection de 100% signifie que tous les pixels sont marqués et supprimés, ce qui entraîne une perte de données. L’analyse des informations spectrales suggère que de nombreuses sources sont probablement des systèmes radar au sol ; cependant, de nombreuses sources à large bande de haut niveau et des sources non radar de bas niveau persistent également. Dans les zones de conflit géopolitique, les données d’analyse temps-fréquence révèlent la présence d’interférences couvrant toute la bande passante du récepteur radiométrique.
La question des interférences radioélectriques est traitée plus en détail par le biais des canaux officiels de gestion du spectre et des rapports officiels, qui comprennent les coordonnées géographiques des sources, les niveaux d’interférence, leur fréquence d’occurrence pendant la période d’observation et des informations spectrales. Ces éléments aident les agents de terrain à identifier les auteurs potentiels d’infractions. Les rapports sont envoyés au Bureau de gestion du spectre de la NASA, puis transmis au pays concerné par le biais du Système de signalement et de résolution des interférences par satellite.
Le jeu de données scientifiques actuel de SMAP est présenté dans le tableau. Les données principales sont regroupées en quatre niveaux, désignés L1 à L4. Les données L1 représentent la température de brillance de l’instrument en bande L, exprimée en kelvins, et incluent les quatre paramètres de Stokes (polarisation horizontale et verticale, ainsi que les troisième et quatrième paramètres de Stokes). Ces données comprennent les passages à l’équateur de 6 h (plage descendante) et de 18 h (plage ascendante). L’utilisateur a accès à des indicateurs de qualité précisant les conditions de disponibilité des mesures pour chaque projet. Les données L1B sont organisées par période et incluent des mesures longitudinales et transversales. Les données L1C sont présentées sur la grille EASE2 (Equal-Area Scalable Earth V2) avec des projections polaires et globales. Les données L2 sont des données géophysiques (humidité du sol, VOD et classification binaire gel/dégel sur une grille terrestre fixe). Acquises sur une demi-orbite, les données L2 sont accessibles au public dans les 24 heures suivant leur acquisition. Les produits L3 sont des résumés quotidiens et incluent toutes les demi-orbites de cette journée.
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Tableau: La suite de produits scientifiques Active Passive Soil Moisture est disponible via le National Snow and Ice Data Center, l’un des centres d’archivage actifs distribués de la NASA.
| Type de produit | Description du produit | Résolution (affichage en grille) | Taille des granules |
| SPL1BTB | Données de géolocalisation, température de luminosité calibrée par ordre chronologique. | 36 km | Demi-orbite |
| SPL1CTB_E | Température de brillance interpolée par Backus-Gilbert et calibrée dans l’ordre chronologique | (9 km) | Demi-orbite |
| SPL1CTB | Température de brillance géolocalisée et calibrée sur la grille EASE2 (Equal-Area Scalable Earth V2). | 36 km | Demi-orbite |
| SPL1CTB_E | Température de brillance de Backus-Gilbert interpolée et calibrée sur la grille EASE2 | (9 km) | Demi-orbite |
| SPL2SMP | Radiomètre d’humidité du sol et de profondeur optique de la végétation | 36 km | Demi-orbite |
| SPL2SMP_E | Humidité du sol et densité optique de la végétation mesurées par un radiomètre basé sur le SPL1CTB. | (9 km) | Demi-orbite |
| SPL2SMAP_S | Radiomètre d’humidité du sol SMAP de Copernicus Sentinel-1 | 3 km | Sentinelle-1 |
| SPL3SMP | Données quotidiennes du radiomètre composite global d’humidité du sol et de profondeur optique de la végétation, basées sur SPL1CTB. | 36 km | Quotidien–Mondial |
| SPL3SMP_E | Données quotidiennes du radiomètre composite global d’humidité du sol et de profondeur optique de la végétation basées sur SPL1CTB_E | (9 km) | Quotidien–Mondial |
| SPL3FTP | Résumé quotidien des cycles gel/dégel basé sur SPL1CTB | 36 km | Quotidien–Mondial |
| SPL3FTP_E | Résumé quotidien des cycles gel/dégel basé sur SPL1CTB_E | (9 km) | Quotidien–Mondial |
| SPL4SMAU | Humidité du sol dans la couche superficielle et la zone racinaire | 9 km | 3 heures – Mondial |
| SPL4CMDL | échange net de carbone des écosystèmes | 9 km | Quotidien–Mondial |
| SPL1BTB_NRT | Détermination précise de la position en temps réel, étalonnage de la température de luminosité par ordre chronologique. | 36 km | Demi-orbite |
| SPL2SMP_NRT | Humidité du sol mesurée par un radiomètre quasi temps réel | 36 km | Demi-orbite |
| SMOS SM L2/L3 | Humidité du sol et VOD dans SMOS basées sur les algorithmes SMAP | (9 km) | Semi-orbital/quotidien Global |
Le projet SMAP produit également des données L4, issues de l’assimilation de données. Ces données L4 utilisent d’autres observations environnementales, telles que les précipitations, la température et l’humidité de l’air, les flux radiatifs de surface, ainsi que des informations complémentaires sur l’occupation des sols et la texture du sol, afin d’estimer l’humidité du sol en surface (généralement de 0 à 5 cm) et en subsurface (par exemple, de la zone racinaire jusqu’à un mètre de profondeur). Le système d’assimilation de données combine le modèle et les mesures et permet ainsi de déterminer le cycle diurne des conditions de surface. Ce système fournit également des estimations des flux de carbone, d’énergie et d’eau en surface, tels que l’évaporation, le ruissellement, la productivité primaire brute (PPB) et la respiration. La différence entre la PPB et la respiration représente l’échange net de l’écosystème, soit la source/le puits net du cycle du carbone sur les terres émergées.
Pourcentage de pixels sur une grille de 0,25° pour janvier 2025 marqués pour suppression par les algorithmes de détection RFI en mode actif et passif de l’humidité du sol. Priscilla N. Mohammed/GSFC
La suite logicielle SMAP inclut également des données de température de brillance et d’humidité du sol en quasi temps réel (NRT) destinées aux applications opérationnelles de prévision météorologique. Le système NRT est conçu pour fournir les données aux utilisateurs dans les trois heures suivant l’acquisition des mesures. Le NRT utilise l’orientation d’antenne prévue par SMAP (au lieu de la télémétrie) et des données auxiliaires (température du sol) issues d’un modèle afin de répondre aux besoins des centres opérationnels qui nécessitent plus de trois heures de données pour la mise à jour de leurs modèles de prévision météorologique. SMAP respecte actuellement les exigences de latence requises et cibles pour le NRT.
Deux autres projets de traitement de données combinent des données synergiques avec d’autres mesures satellitaires (effectuant les mêmes opérations). Le projet SPL2SMAP_S associe les mesures de radiance radio en bande L de SMAP aux mesures radar à synthèse d’ouverture (SAR) en bande C de la mission Copernicus Sentinel-1 de l’ESA. Les données SAR, à haute résolution, permettent d’obtenir des estimations combinées de l’humidité du sol en surface à des résolutions de 1 et 3 km. Cependant, les informations à haute résolution sur l’humidité du sol ne sont disponibles qu’avec les mesures combinées de SMAP et de Sentinel-1. La fréquence de mise à jour de ce produit est limitée et peut atteindre 12 jours.
Les données combinées de radiométrie passive en bande L SMOS-SMAP fournissent des estimations globales et quasi quotidiennes de l’humidité du sol en surface, essentielles à la modélisation des processus hydrologiques rapides tels que le drainage gravitaire et l’écoulement de recharge. Ces paramètres ne sont que partiellement déterminés par SMAP, les données étant mises à jour tous les deux à trois jours. Ce produit interpole les données multi-angles SMOS à un angle d’inclinaison SMAP de 40° et utilise tous les algorithmes SMAP, y compris la correction de l’influence des plans d’eau sur la température de brillance SMAP, ainsi que des données auxiliaires pour les inversions géophysiques de l’humidité du sol et de la VOD, garantissant ainsi la cohérence des résultats. Le produit de données combinées SMAP-SMOS peut ne pas être disponible quotidiennement dans certaines régions, comme le Japon, certaines parties de la Chine et le Moyen-Orient, où les interférences radioélectriques affectent la collecte des données.
Bien que le radar SMAP ait connu une défaillance peu après son lancement, les données recueillies ont permis de développer un algorithme actif-passif (AP) pour SMAP. Cet algorithme sera appliqué aux données combinées du radiomètre SMAP et des données radar de la mission NISAR (NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar), une mission radar à synthèse d’ouverture en bande L récemment lancée et conçue pour obtenir des données globales sur l’humidité des sols avec une résolution spatiale d’un kilomètre (0,62 mi) ou meilleure. Ce produit à haute résolution pourrait faciliter le développement d’applications à partir des données SMAP (par exemple, la surveillance de la productivité agricole, des feux de forêt et des glissements de terrain).
Une mission à venir répond partiellement, mais pas totalement, aux exigences de mesure et aux améliorations souhaitées de SMAP. La mission Copernicus Microwave Radiometer (CIMR) de l’Union européenne est un observatoire radiométrique micro-ondes multicanal proposé, comprenant une bande L et quatre autres canaux micro-ondes, utilisant un grand réflecteur à grille. Ce réflecteur est similaire à celui utilisé par SMAP, mais de plus grande taille. La démonstration réussie par SMAP de l’utilisation d’antennes à grille rotatives, de grande taille et déployables pour l’observation de la Terre s’est avérée utile pour la conception de CIMR.
En matière de détection des interférences radiofréquences, CIMR utilisera une approche similaire à celle de SMAP. Concernant le bruit thermique instrumental (NEDT) et la latence des données, CIMR atteint, voire approche, les performances attendues de la prochaine mission et égale, voire surpasse, celles de SMAP pour la plupart des paramètres. La résolution native de CIMR en bande L est d’environ 60 km ; cependant, les mesures étant coïncidentes, les mesures à plus haute résolution obtenues dans cette configuration permettent la reconstruction de la radiométrie en bande L avec une résolution supérieure à celle de CIMR en bande L. Il sera possible de combiner les bandes L et C pour obtenir un produit de reconstruction en bande L d’une résolution d’environ 15 km, à partir de mesures coïncidentes et superposées. Grâce à la large fauchée de CIMR, une fréquence de mise à jour des données d’une journée est envisageable.
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Lancée en 2015, la mission SMAP collecte des données scientifiques depuis plus de dix ans. Grâce aux caractéristiques uniques de ses instruments et à ses conditions de fonctionnement optimales, la radiométrie micro-ondes basse fréquence globale de l’observatoire SMAP a permis d’obtenir des estimations de l’humidité du sol en surface, de la densité optique de la végétation et des cycles de gel-dégel qui surpassent les résultats des études précédentes et en cours. Ces données sont largement utilisées en sciences du système Terre et dans la recherche sur les catastrophes naturelles.
Les communautés scientifiques et appliquées aux sciences du système Terre utilisent activement des données de radiométrie globale en bande L de haute qualité, collectées depuis plus de dix ans. L’intensité et la diversité de l’utilisation scientifique des données SMAP sont manifestes dans le nombre de publications parues dans des revues à comité de lecture, mentionnant SMAP ou Soil Moisture Active Passive dans leur titre ou leur résumé et utilisant ces données (voir par exemple la base de données www.webofscience.com). Les auteurs reconnaissent que de nombreuses publications n’adoptent pas cette méthode de recherche. La bibliographie comprend actuellement plus de 1 700 références et plus de 20 000 citations, couvrant plusieurs domaines des sciences du système Terre, notamment l’hydrologie et le cycle de l’eau régional et global, l’océanographie et les sciences de l’atmosphère, la cryosphère, l’écologie globale et les technologies de télédétection micro-ondes.
Le programme OpenET, une collaboration public-privé menée par les partenaires du consortium NASA, U.S. Geological Survey, California State University, Monterey Bay, Environmental Defense Fund, Desert Research Institute, Google Earth Engine et HabitatSeven, fournit des informations sur l’évapotranspiration.
L’évapotranspiration est le mouvement de l’eau du sol vers l’atmosphère par l’intermédiaire des plantes et par évaporation directe à la surface de la Terre. OpenET est un outil essentiel pour la gestion des ressources en eau, la planification de l’irrigation, la surveillance des sécheresses et l’évaluation des risques d’incendie.
L’outil OpenET Data Explorer a été lancé initialement en 2021, avec des données disponibles pour 17 États de l’ouest des États-Unis. L’outil FARMS (Farm and Ranch Management Support), lancé début 2025, offre une interface conviviale conçue pour les agriculteurs et les éleveurs. Lors de son lancement, les données de FARMS étaient disponibles pour 27 États. Le 15 décembre 2025, les données étaient disponibles pour 48 États, tous outils confondus.
La carte des États-Unis continentaux présente les données gratuites OpenET sur l’eau, couvrant désormais les 48 États au lieu des 27 plus à l’ouest. L’échelle de couleurs affiche l’évapotranspiration annuelle totale (la quantité d’eau perdue dans l’atmosphère par la végétation et l’évaporation), de l’orange (faible) au bleu foncé (élevée).
Les domaines d’application d’OpenET comprennent:
Déclaration de la consommation d’eau: Les agences de gestion de l’eau du delta central et du delta sud de la Californie utilisent OpenET pour faciliter la déclaration de la consommation d’eau à l’État, ce qui entraîne une augmentation des déclarations des propriétaires fonciers et des économies importantes pour les agriculteurs.
Gestion de l’irrigation: Des propriétaires fonciers individuels aux grandes entreprises comme Gallo et Sun Pacific Farming, OpenET aide les agriculteurs de toutes tailles à suivre la consommation d’eau de leurs plantes afin d’optimiser l’irrigation, de maintenir ou d’augmenter les rendements et de réduire les coûts.
Gestion et comptabilisation des eaux souterraines : En Californie et au Nebraska, les agences de gestion de l’eau utilisent OpenET, une plateforme libre de comptabilisation des eaux souterraines développée par l’Environmental Defense Fund et ses partenaires, pour aider les agriculteurs à suivre et à gérer leurs ressources en eau. En Oregon et au Kansas, des projets pilotes sont en cours d’élaboration avec cette même plateforme.
Le 28 novembre 2025, la première mission de reconnaissance de l’Agence spatiale européenne, le satellite HydroGNSS, a été lancée, marquant une étape majeure dans l’élargissement de la compréhension mondiale de la disponibilité de l’eau et de l’impact du changement climatique sur le cycle mondial de l’eau.
Deux satellites HydroGNSS ont été lancés en orbite à 19h44 CET à bord d’une fusée Falcon 9 de SpaceX, dans le cadre de la mission Transporter-15, depuis le Centre spatial Vandenberg en Californie. Ces deux satellites utiliseront une technologie innovante appelée réflectométrie GNSS (Système mondial de navigation par satellite) pour détecter l’eau, selon le service de presse de l’ESA.
Ce processus repose sur la réception, par les satellites HydroGNSS, de signaux en bande L émis par des systèmes de navigation tels que le GPS et Galileo. Ces satellites de navigation transmettent des signaux micro-ondes en bande L, qui sont modifiés par réflexion sur la surface terrestre. Les satellites HydroGNSS comparent ensuite ces signaux réfléchis avec ceux qu’ils reçoivent directement des satellites GNSS afin d’obtenir des informations précieuses sur les propriétés liées au cycle de l’eau, et bien plus encore.
Pour ce faire, chaque satellite HydroGNSS est équipé d’un récepteur permettant d’établir des cartes de délai et d’effet Doppler. Ce récepteur est composé de deux antennes : une antenne zénithale, qui capte les signaux GNSS directs, et une antenne nadir, qui collecte les signaux réfléchis et les traite afin d’établir ces cartes. Grâce à cette technologie, deux petits satellites orbitant autour de la Terre à 180 degrés l’un de l’autre mesureront l’humidité du sol, les cycles de gel-dégel, les inondations et la biomasse aérienne.
Satellite HydroGNSS : à la recherche d’eau. ESA
Ces données seront cruciales non seulement pour approfondir notre compréhension du cycle de l’eau sur Terre, mais aussi pour soutenir des applications telles que la prévision des inondations et la planification agricole.
De plus, en surveillant les zones inondables et les zones humides, HydroGNSS aidera à identifier les zones humides — des écosystèmes importants qui peuvent être des sources importantes de méthane — souvent cachées sous la canopée des arbres.
Les informations sur les cycles de gel-dégel permettront de mieux comprendre l’équilibre entre le rayonnement de surface, les échanges d’énergie et de carbone avec l’atmosphère, ainsi que le comportement du pergélisol souterrain aux hautes latitudes.
Parallèlement, les données sur la biomasse aérienne permettront d’évaluer les stocks de carbone forestier et leur rôle dans le cycle mondial du carbone.
Inspirés par l’esprit du «New Space», les éclaireurs privilégient la flexibilité et l’innovation, utilisant de petits satellites intelligents pour adapter des technologies éprouvées ou tester de nouvelles méthodes audacieuses d’observation de notre planète. Chaque mission, du concept au lancement, est réalisée en seulement trois ans, avec un budget modeste de 35 millions d’euros, couvrant toutes les étapes : conception, construction et opérations orbitales.
Simonetta Celi, directrice des programmes d’observation de la Terre de l’ESA, a déclaré: «Le lancement d’HydroGNSS, première mission Scout de l’ESA, marque une étape majeure pour cette nouvelle famille de missions d’observation de la Terre rapides et économiques. Nous remercions le maître d’œuvre de la mission, SSTL… Ce lancement constitue également une avancée importante dans le développement de notre programme FutureEO, où les missions Scout incarnent une approche rapide, flexible, innovante et rentable, complétant ainsi nos missions Earth Explorer de plus grande envergure… Nous sommes impatients de voir comment HydroGNSS utilisera la réflectométrie GNSS pour fournir des informations précieuses sur les principales variables hydrologiques qui façonnent le cycle de l’eau sur Terre.»
Le système HydroGNSS utilise la réflectométrie GNSS pour localiser les plans d’eau. ESA
Le maître d’œuvre de l’ESA pour la mission HydroGNSS est la société britannique SSTL. SSTL est également responsable des opérations satellitaires en orbite et de la distribution des données. La mission est financée en partie par l’Agence spatiale britannique.
Dans le cadre du Programme national de lancement de missions (NMLP), SpaceX a également placé en orbite le prochain lot de satellites IRIDE: Eaglet-II pour l’Italie et deux satellites ICEYE pour la Grèce. Ces deux missions nationales ont été développées avec la participation de l’ESA. IRIDE est une initiative nationale menée par le gouvernement italien et coordonnée par l’ESA, avec le soutien de l’Agence spatiale italienne (ASI). La mission comprend des constellations de satellites d’observation de la Terre qui fournissent des données satellitaires pour la surveillance des mouvements de la surface terrestre, de l’occupation des sols, des ressources en eau, des zones côtières et d’autres facteurs environnementaux. IRIDE fournit des services aux agences gouvernementales italiennes et soutient directement le travail du Département de la protection civile.
Deux nouveaux satellites radar ICEYE à haute résolution ont été les premiers à être lancés dans le cadre du programme national grec de petits satellites. Ce programme, qui inclura également d’autres types de satellites l’année prochaine, vise à perfectionner les technologies et les applications satellitaires grecques, à favoriser l’innovation et la création d’emplois, à stimuler la croissance économique et à renforcer les capacités nationales en matière de gestion des catastrophes, de surveillance environnementale et de sécurité. Le Centre spatial hellénique et le ministère grec de la Gouvernance numérique pilotent le projet, tandis que l’ESA fournit le cadre général et apporte son soutien à ICEYE pour le développement des deux satellites. Ces deux missions sont financées par le mécanisme pour la reprise et la résilience de l’UE.
Le satellite français SWOT de la NASA a fourni une évaluation globale du débit des cours d’eau. La NASA et le CNES (Centre national d’études spatiales) ont publié la toute première évaluation globale du ruissellement fluvial et des sédiments en suspension obtenue depuis l’espace, marquant une nouvelle ère dans la compréhension de l’un des systèmes les plus fondamentaux de la Terre.
Cette ressource, élaborée à partir des données du satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography), estime le débit des cours d’eau – défini comme le volume d’eau s’écoulant par seconde en un point donné le long d’une rivière – ainsi que les concentrations de sédiments en suspension dans toutes les rivières du globe d’une largeur supérieure à 50 mètres (160 pieds). Ces informations peuvent aider à une gestion plus efficace des ressources en eau douce, à des prévisions de crues plus fiables et à des estimations plus précises des rendements agricoles.
Carte créée à partir de données d’analyse SWOT représentant les débits fluviaux estimés à l’échelle mondiale. Ces informations ont de nombreuses applications, de la gestion des ressources en eau à la prévision des crues. NASA/JPL/UMass
Il s’agit là du dernier succès en date du projet SWOT. Créé et géré conjointement par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud et le CNES, en partenariat avec l’Agence spatiale canadienne (ASC) et l’Agence spatiale britannique, SWOT a récemment démontré que des phénomènes océaniques relativement mineurs, tels que les tourbillons et les vagues, ont une influence plus importante sur la circulation des nutriments et de la chaleur dans les écosystèmes marins qu’on ne le pensait auparavant.
Les données et les algorithmes qui produisent ces estimations sont accessibles au public via le système d’archivage actif distribué d’océanographie physique de la NASA, qui fait partie du système de données et d’information du système d’observation de la Terre.
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