Voir la planète respirer depuis l’espace, ou comment mesurer les gaz à effet de serre par satellite

Carole Deniel, Centre national d’études spatiales (CNES) et François-Marie Bréon, Université Paris-Saclay

La quantité de CO₂ dans l’atmosphère varie à cause des activités humaines, mais aussi en réponse au fonctionnement des écosystèmes, comme les arbres, qui absorbent et émettent du CO₂ en respirant.

Grâce aux satellites, on peut ainsi voir la planète « respirer ». La nouvelle mission MicroCarb du Cnes doit décoller le 25 juillet de Guyane et vient rejoindre d’autres programmes pour suivre de près ce facteur important du changement climatique.

Les satellites sont devenus des outils indispensables pour suivre l’évolution du climat. En effet, les mesures denses et continues de la teneur en CO₂ permettent d’identifier les sites d’émission ou au contraire d’absorption par les écosystèmes et les activités humaines.

Avec le lancement de la mission MicroCarb, qui est consacrée à la mesure précise de la concentration du CO₂ atmosphérique, la France va apporter une contribution inédite à l’amélioration de notre connaissance du cycle du carbone.

Le rôle du CO₂ dans l’effet de serre

Le dioxyde de carbone (CO₂) est le principal moteur du changement climatique actuel. Sa concentration dans l’atmosphère a fortement augmenté depuis le début de l’ère industrielle, à cause de la combustion des énergies fossiles et des changements d’usage des terres (en particulier la déforestation).

Ce gaz joue un rôle fondamental dans l’effet de serre, le phénomène naturel par lequel certains gaz atmosphériques absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre. Le CO₂ contribue ainsi à réchauffer la surface. Si cet effet est indispensable à la vie sur notre planète, son amplification par les activités humaines entraîne les modifications du climat dont nous ressentons déjà les conséquences et qui vont encore s’accentuer.

Le changement climatique entraîne déjà des impacts majeurs : élévation du niveau des mers, intensification des événements extrêmes, réduction des glaciers, modification des régimes de précipitations, et bouleversements pour les écosystèmes et les sociétés humaines.

Le cycle du carbone : des mécanismes d’échange entre les écosystèmes déstabilisés par les émissions issues des activités humaines

Mais au-delà de son rôle moteur du changement climatique, le CO₂ intervient aussi dans des rétroactions complexes au sein du cycle du carbone.

Malheureusement, les perturbations sur le cycle du carbone interrogent. Aujourd’hui, environ 55 % des émissions de CO₂ sont absorbés naturellement par les océans (où il se dissout) et par la végétation terrestre (via la photosynthèse), qui jouent le rôle de « puits de carbone ». Cette absorption atténue partiellement l’accumulation du CO₂ dans l’atmosphère. Or, ces puits de carbone (océan et végétation) sont sensibles au changement climatique lui-même, ce qui conduit donc à des « rétroactions » entre climat et cycle du carbone.

Par exemple, quelles seront les conséquences s’ils deviennent moins efficaces du fait, par exemple, de la sécheresse récurrente qui atténue la capacité d’une forêt à absorber le carbone, ou d’autres impacts négatifs du changement climatique sur les écosystèmes ? De même, le réchauffement climatique entraîne des conditions favorables aux incendies, qui peuvent ainsi devenir des sources additionnelles et significatives de CO₂ vers l’atmosphère.

Les États signataires de l’accord de Paris (2015) se sont engagés à réduire leurs émissions dans le but de limiter le réchauffement climatique à moins de 2 °C, et même de rester aussi proche que possible de 1,5 °C. En 2024, les objectifs apparaissent difficiles à atteindre car, même si les émissions de certains pays ont commencé à décroître, les émissions continuent de croître globalement.

Dans ce cadre, il apparaît nécessaire, d’une part, de disposer d’un système indépendant pour suivre les émissions de CO₂ aux échelles nationales et, d’autre part, de suivre l’évolution des flux naturels en réponse au changement climatique. Cela passe par une observation dense et continue des concentrations atmosphériques de CO₂.

Mesurer les absorptions et émissions de carbone à l’échelle planétaire est un défi technique

Aujourd’hui, on mesure la concentration atmosphérique de CO₂ proche de la surface, sur une centaine de stations très inégalement réparties sur la Terre. La série de données la plus iconique est celle de Mauna Loa, au sommet d’une des îles de l’archipel d’Hawaï, qui décrit la composition atmosphérique en continu depuis 1958. Depuis, plusieurs réseaux d’observation ont été mis en place et regroupés pour l’Europe dans le programme ICOS en 2015.

Quelques campagnes de mesures spécifiques apportent, par ailleurs, une description résolue sur la verticale depuis la surface jusqu’à près de 30 kilomètres d’altitude.

Malgré ces observations, la densité d’observations reste très insuffisante pour les objectifs scientifiques et sociétaux décrits ci-dessus. C’est pourquoi les satellites apportent un complément nécessaire, avec une mesure certes moins précise que celles des observations in situ, mais avec une densité très largement supérieure.

Une dynamique internationale depuis quinze ans

Dans les rapports internationaux intergouvernementaux GEO (intergovernmental Group on Earth Observations) ou des agences spatiales du CEOS (Committee on Earth Observation Satellites), les groupes d’experts sont unanimes pour reconnaître le besoin de mesure de CO₂ depuis l’espace.

Ainsi, la Jaxa (Japon) puis la Nasa (États-Unis) se sont lancé, dès 2009, dans la mesure du CO₂ depuis l’espace.

Depuis quelques années, la Chine dispose également d’un programme spécifique ambitieux, avec de nombreux capteurs utilisant diverses technologies déjà en orbite, mais dont malheureusement les données restent très peu distribuées à la communauté internationale (communication entre agences).

En Europe, la Commission européenne a étendu son programme spatial de surveillance environnementale opérationnelle (appelé Copernicus, dont l’implémentation a été confiée à l’Agence spatiale européenne, l’ESA) – dont les missions de surveillance du CO₂ atmosphérique sont une priorité. Ainsi, les données de la mission européenne CO2M sont attendues d’ici fin 2027 pour permettre de mieux surveiller depuis l’espace les émissions anthropiques de CO₂ grâce à une résolution spatiale de quatre kilomètres carrés et une fauchée de plus de 200 kilomètres permettant d’obtenir une image des panaches issus des émissions intenses localisées.

Avec le lancement prévu cet été de sa mission MicroCarb, développée en collaboration avec l’Agence spatiale du Royaume-Uni et la Commission européenne, le Centre national d’études spatiales (Cnes) va ouvrir la voie en Europe à des données précises de concentration de CO₂.

La mission MicroCarb

MicroCarb est un microsatellite d’environ 200 kilogrammes équipé d’un spectromètre. Celui-ci mesure le rayonnement solaire réfléchi par la surface terrestre, après une double traversée dans l’atmosphère. La mesure à très haute résolution spectrale permet d’identifier les raies d’absorption du CO₂, dont les intensités peuvent être reliées à la quantité de CO₂ dans l’atmosphère.

Avec des outils sophistiqués qui prennent en compte l’ensemble de la physique de l’interaction entre le rayonnement solaire et les molécules de l’atmosphère, on peut en déduire une estimation de la concentration atmosphérique de CO₂ avec une précision d’environ 0,25 % sur une surface d’environ 40 kilomètres carrés.

Le satellite est sur une orbite héliosynchrone pour faire des mesures autour de midi, ce qui permet d’avoir un éclairement solaire d’une intensité nécessaire à la mesure. Cette mission va donc assurer une continuité avec les missions précédentes, en particulier celle de la Nasa dont la poursuite semble fortement compromise suite au budget prévisionnel du gouvernement Trump pour 2026, notamment pour les sciences de la Terre.

Par ailleurs, le spectromètre de MicroCarb est fondé sur un concept optique innovant par sa compacité permise par l’utilisation d’un seul détecteur pour l’ensemble des canaux de mesures et d’une bande spectrale inédite pour l’amélioration de la précision de mesure. En fonction des performances de MicroCarb, ces innovations pourraient être reprises pour les prochaines missions déjà en préparation.

Carole Deniel, Responsable des programmes de composition atmosphérique et Climat, Centre national d’études spatiales (CNES) et François-Marie Bréon, Physicien-climatologue, chercheur au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement, Université Paris-Saclay

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.