Données satellites : Quand l’espace aide a mieux comprendre la Terre !

Afin d'améliorer les connaissances sur la qualité de l'air de notre région, l'observatoire Atmo Auvergne-Rhône-Alpes est en veille constante sur les outils, méthodes ou pratiques innovantes qui émergent dans la société, afin d'apporter des réponses toujours plus précises et adaptées. Après s'être âr exemple approprié la technologie des micro-capteurs, Atmo Auvergne-Rhône-Alpes évalue aujourd'hui le potentiel des données satellitaires comme comme compléments des mesures au sol et de la modélisation.

Depuis 2020, Atmo étudie ainsi le potentiel et l'utilisation des données issues des satellites pour compléter la surveillance de la pollution atmosphériques et des émissions de gaz à effet de serre. Grâce à un soutien financier de la Région Auvergne-Rhône-Alpes et à travers sa participation à divers projets européens, Atmo améliore ainsi ses connaissances sur ces données innovantes et travaille dès à présent à leur intégration dans le dispositif de surveillance de la qualité de l'air sur le territoire régional.

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Avantages et limites des données satellitaires

Les données satellitaires présentent des atouts majeurs pour la surveillance de la qualité de l’air. Elles offrent une couverture spatiale très large, parfois globale, permettant d’observer des régions peu ou pas couvertes par des mesures au sol. Elles sont également produites en continu et permettent ainsi d’assurer un suivi dans le temps. Grâce à leur régularité et à leur homogénéité ces mesures facilitent la comparaison entre différents territoires et permettent aussi l’identification de tendances à grande échelle, comme les panaches intercontinentaux issus des feux de forêts ou encore les épisodes de transport de particules sahariennes.

Toutefois, ces données comportent aussi des limites. Leur résolution spatiale rend difficile la détection de phénomènes de pollution à fine échelle (échelle d'un quartier ou d'une rue par exemple). Les mesures par satellite peuvent également être perturbées par la couverture nuageuse, l’angle de prise de vue ou encore par la présence d’aérosols complexes. Enfin, les satellites ne mesurent par directement les concentrations au niveau du sol, mais à travers une colonne d'air, ce qui oblige à traduire ces observations pour pouvoir les comparer avec des mesures au sol ou avec les modèles atmosphériques. Ces données nécessitent donc des corrections et des traitements complexes pour pouvoir être intégrés au dispositif opérationnel de surveillance de la qualité de l'air.

Chronologie des travaux sur les données satellitaires

Les travaux d'Atmo sur les données satellitaires ont débuté en 2021 avec un premier polluant étudié : le dioxyde d'azote (NO₂). Depuis lors, de nouvelles thématiques sont explorées chaque années grâce à des financements divers, provenant notamment de la Région Auvergne Rhône Alpes ou de l'ADEME ou encore dans le cadre de projets européens.

Frise chronologie des travaux DOSAT avec logos partenaires

Dioxyde d'azote (NO2)

En 2021, Atmo Auvergne Rhône-Alpes a réalisé une première étude afin d’évaluer les atouts et limites des données satellite et d’étudier leur exploitation opérationnelle pour le dioxyde d’azote (NO₂) afin d’enrichir la surveillance régionale de la qualité de l’air. Les données étudiées ici sont issues du capteur TROPOMI embarqué sur le satellite Sentinel-5P.

Les unités de mesures entre les données satellites (molécules.cm^-2) et les mesures au sol (µg.m^-3) ne sont pas les mêmes et une comparaison quantitative et directe des données n’est donc pas possible. Un traitement de la donnée brute est ainsi nécessaire ainsi de pouvoir intégrer ces données satellitaires et les comparer aux données de surface.

Cette étude a permis de développer un script automatisé pour le traitement de la donnée brute et de produire une cartographie régionale des concentrations en NO₂à partir des données satellites

Consulter le rapport 2021

Méthane (CH4) et ammoniac (NH3)

En 2022, Atmo explore l’usage des données satellite pour estimer l’ammoniac (NH₃) et le méthane (CH₄), complétant ses mesures et modélisations régionales de la qualité de l’air. Les données étudiées proviennent des instruments IASI (sur les satellites polaires MetOp-B et MetOp-C) et TROPOMI (satellite Sentinel-5P).

Cette étude souligne les limites des capteurs actuels pour le suivi du CH₄ et du NH₃ en raison d’une couverture spatiale incomplète (notamment sur le relief des Alpes). Le rapport recommande de poursuivre les recherches sur l’assimilation des données satellites dans la modélisation et sur la modélisation inverse des émissions.

Consulter le rapport 2022

Rayonnement solaire et ozone (O3)

En 2023, Atmo AURA a investigué l'utilisation des observations satellites de rayonnement solaire. Les mesures de rayonnement utilisées proviennent de la base de données SARAH-3 et plus précisément des satellites géostationnaires MeteoSat (capteurs MVIRI et SEVIRI).

Les résultats montrent une hausse du rayonnement solaire sur la région. Une comparaison entre les observations solaires mesurées par satellites et les sorties du modèle météorologique WRF ont été effectuées. Les observations par satellite ont été intégrées au modèle de chimie et transport de l'atmosphère CHIMERE pour évaluer son impact sur la formation d'ozone.

Les résultats montrent que l'intérêt de l'utilisation de ces données dépend fortement des émissions des précurseurs d'ozone. Sur la région Auvergne-Rhône-Alpes, l'impact sur les niveaux d'ozone modélisées est faible et l'intérêt d'intégrer ces données dans les modèles actuels est limité. Ces données de rayonnement solaire restent cependant utiles pour évaluer et ajuster le rayonnement solaire des modèles météorologiques.

Consulter le rapport 2023

Estimation des émissions des feux de forêt

En 2024, Atmo AURA se concentre sur l'étude des feux de forêt. L'impact de ces feux sur la qualité de l'air, qu'ils soient locaux ou provenant de régions plus lointaines, constitue un enjeu opérationnel important. Depuis plusieurs années, de nombreuses approches de modélisation permettent de prédire les émissions et les concentrations de polluants liées à ces incendies. Parmi elles, une méthode repose sur l'utilisation du module APIFLAME combinées à des mesures satellitaires de rayonnement infrarouge.

Le module APIFLAME utilise les observations satellites pour détecter et estimer les émissions issues des feux de forêt. Les données satellites utilisées dans cette étude proviennent des satellites polaires Aqua et Terra de la NASA (capteur MODIS) ainsi que des satellites géostationnaires Meteosat (capteur SEVIRI). Le module APIFLAME peut être intégré au modèle CHIMERE afin de modéliser le transport, la chimie et la dispersion des polluants issus des feux.

Les différents calculs et tests de sensibilité ont montré que cette approche apporte une réelle valeur ajoutée pour la prévision quotidienne de la qualité de l'air. De nombreuses améliorations restent toutefois possibles pour rendre ces prévisions encore plus réalistes.

Consulter le rapport 2024

Estimation de flux de carbone

L’action proposée par Atmo AURA consiste à exploiter les données satellitaires du SMAP ainsi que celles issues de la BDForêt de l’IGN afin d'estimer et cartographier les flux de carbone des écosystèmes de la région.

Cette approche vise à évaluer la capacité d’absorption du CO₂ selon les types de végétation et à mieux comprendre le rôle des écosystèmes régionaux dans la séquestration du carbone.

Rapport à venir

Les satellites

Sentinel-5P

Sentinel-5P est le premier satellite du programme Copernicus de l'Union Européenne dédiée à la surveillance de l'atmosphère terrestre.

MetOp

Les satellites MetOp de seconde génération (Metop-SG) sont la prochaine génération de satellites en orbite polaire d’EUMETSAT.

Meteosat

Les satellites Meteosat sont des satellites géostationnaires qui fournissent des données climatiques depuis plus de 40 ans.

Terra

Terra est une mission spatiale de la NASA placée en orbite en 1999 dont l'objectif est d'explorer les interactions entre l'atmosphère, les terres, les régions enneigées,…

Aqua

Aqua est une mission spatiale de la NASA lancée en 2002 pour étudier le cycle de l'eau c'est-à-dire des précipitations et des processus d…

Les instruments embarqués

Image des données de NO2 en colonne troposphérique

TROPOMI

TROPOMI est un instrument satellitaire de pointe embarqué à bord du satellite européen Sentinel-5P du programme Copernicus, lancé en octobre 2017.

IASI

IASI est un instrument IASI de sondage infrarouge été conçu pour la météorologie opérationnelle et la surveillance de la chimie atmosphérique et du climat.

MODIS

MODIS est spectroradiomètre imageur à résolution modérée embarqué sur les satellites Aqua et Terra de la NASA

SMAP

SMAP a pour objectif de mesurer l'humidité du sol et les zones de gel/dégel de l'ensemble de la planète tous les deux à trois jours. 

SEVIRI

a compléter

MVIRI

à compléter

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Les financeurs

Depuis 2020, la Région Auvergne-Rhône-Alpes s'engage au côtés d'Atmo pour étudier le potentiel des données satellites pour l'amélioration de la surveillance de la qualité de l'air.

Ce soutien a permis à Atmo d'explorer le potentiel de la télédétection spatiale pour caractériser plusieurs composés et paramètres liés à la qualité de l'air.

Dans le cadre du changement climatique, l'Europe s’attache à mieux caractériser les impacts futurs de l’évolution climatique sur l'environnement et sur la santé des habitants. Améliorer la modélisation de la qualité de l’air sur les territoires et notamment dans les vallées alpines est donc un enjeu majeur. Divers projets européens, mobilisant de nombreux acteurs et partie prenantes voient le jour. Atmo Auvergne Rhône participe à plusieurs de ces projets afin d'explorer le potentiel des données satellitaires en complément de la surveillance réglementaires.

Financements européens travaux Données Satellites - Atmo AuRA

Dans le cadre de l'appel à projet AQACIA 2024, le projet ROSAS co-financé par l'ADEME investiguera la représentativité spatiale des données de surface d'ammoniac à l’aide de mesures complémentaires et en analysant les liens entre observations de surface, estimations satellites et données météorologiques.

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