L'Orbiting Carbon Observatory (OCO) est un satellite de télédétection de la NASA qui mesure la quantité de dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère terrestre. Cette mission spatiale fait partie du programme Earth Observing System qui regroupe un ensemble de satellites de la NASA chargés de collecter, sur de longues périodes, des données sur la surface de la Terre, la biosphère, l'atmosphère terrestre et les océans de la Terre. Le premier exemplaire du satellite est perdu au cours de son lancement le . Le , un second exemplaire du satellite, baptisé OCO-2, est placé en orbite avec succès.
Description de la mission
Le satellite OCO-2 relève la distribution géographique des sources de dioxyde de carbone et des puits de carbone naturels à une échelle régionale.. Les données recueillies améliorent la compréhension du cycle du carbone, des processus naturels et les activités humaines qui contribuent à modifier l'abondance et la distribution géographique des gaz à effet de serre. Cette modélisation améliorée permet en retour de réaliser des prévisions plus fiables de l'évolution de la quantité et de la distribution géographique du dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre et l'incidence de ces modifications sur le climat de la Terre.
Durant la mission d'une durée de 2 ans, le satellite est placé sur une orbite polaire de d'altitude de manière à pouvoir observer pratiquement l'ensemble de la surface de la Terre tous les 16 jours. Il vole en formation avec le A-train, une série de satellites destinés à l'observation de l'atmosphère terrestre. Cette configuration permet aux scientifiques de corréler les mesures effectués par les différents satellites. Les scientifiques exploitant les données de OCO doivent notamment utiliser les mesures effectuées par l'instrument (AIRS) placé sur le satellite Aqua du A-train.
Caractéristiques du satellite
Le satellite utilise une plateforme LeoStar-2 de Orbital Sciences qui est déjà mise en œuvre pour les missions SORCE et GALEX. La structure du satellite est en aluminium ; il a la forme d'un hexagone de de large et de de long. Deux panneaux solaires orientables d'une envergure de sont attachés de part et d'autre du corps du satellite. La masse totale est d'environ ..
Instruments
Le satellite comporte un seul instrument qui doit permettre d'effectuer la mesure la plus précise jamais faite du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère terrestre. Cet instrument est composé de trois spectromètres à haute résolution placés en parallèle alimentés par un télescope commun. Les spectromètres effectuent des mesures simultanées de l'absorption de la lumière solaire par le dioxyde de carbone et l'oxygène moléculaire dans le proche infrarouge : lorsque la lumière du soleil après avoir traversé l'atmosphère terrestre est réfléchie par la Terre, les molécules des gaz présents dans l'atmosphère absorbent certaines des longueurs d'onde. Le spectre visible qui en résulte est incomplet et la position de ces trous reflète la nature des gaz traversés. Chacun des spectromètres effectue sa mesure sur une gamme de longueurs d'onde donnée. En mesurant de manière fine la quantité de lumière absorbée pour les longueurs d'onde caractérisant le dioxyde de carbone, OCO permet de calculer avec une très grande précision le nombre de molécules présentes le long du chemin parcouru par le rayon lumineux depuis la limite supérieure de l'atmosphère jusqu'au sol. Pour prendre en compte la grande vitesse de déplacement du satellite, combiné au fait que les concentrations de varient d'un lieu à l'autre, les mesures sont effectuées 3 fois par seconde..
vignette|600px|centré|Le A-Train en 2013.
Déroulement du projet et de la mission
La mission, qui coûte initialement 280 millions de dollars américains, fait partie du programme Pathfinder de la NASA consacré aux sciences du système terrestre. et est gérée par le Jet Propulsion Laboratory à Pasadena en Californie.
Un premier exemplaire du satellite (OCO-1) est perdu au cours de son lancement, le , à la suite de l'échec de la séparation de la coiffe du lanceur Taurus . chargé de le placer sur orbite, dû à des pièces défectueuses fournies par le fabricant Sapa Profiles Inc. qui a fraudé sur la qualité de ses produits..
En , le Congrès américain alloue 50 millions de dollars américains pour faire construire une copie du satellite perdu. La construction du nouveau satellite, baptisé OCO-2, débute en . En juillet, la NASA décide d'utiliser les trois derniers lanceurs Delta II en stock dont la construction est arrêtée. Le satellite OCO-2 est placé en orbite le par un lanceur Delta II 7320-10C tiré depuis la base de lancement de Vandenberg..
Le satellite OCO-2 et ses enjeux Comme son nom l'indique, ce satellite est un Observatoire du carbone en orbite, or le carbone est devenu un enjeu majeur pour le climat, l'énergie et la biodiversité, et donc pour l'humanité.
OCO-2 dispose d'une couverture mondiale et survole le même point tous les 16 jours depuis 2014, apportant une quantité croissante de données à haute résolution spectrale sur le atmosphérique. Leurs précision, résolution géographique (échelle régionale) et couverture n'ont jamais été atteintes jusqu'alors. Cette précision est suffisante pour affiner de nombreuses modélisations, en caractérisant plus fidèlement les sources et les cycles saisonniers du carbone. Il doit ainsi permettre d'éclairer l'étude des grands flux de dioxyde de carbone () entre les océans, l'atmosphère et la biosphère grâce aux premières séries exploitables de données publiées (après contrôle de qualité) à partir de l'automne 2017.
Le lidar permet depuis la fin du , et permet encore de mieux comprendre les variations chimiques et thermohygrométriques dans la colonne atmosphérique, mais très ponctuellement et souvent seulement dans le temps d'une campagne d'étude.
Pour le carbone, la courbe de Keeling (série temporelle détaillée du taux de dans l'air depuis 1958) a beaucoup aidé à comprendre et tenter de maîtriser le changement climatique, mais elle nécessite un travail fastidieux de collecte d'échantillons et d'analyses de précision dans quelques laboratoires spécialisés, et elle ne dit rien des variations régionales (ou sur de courtes périodes de temps (jours, semaines) à ces échelles.
Les parties prenantes intéressées par les études du climat espèrent depuis plusieurs décennies une visualisation par satellite, si possible en temps réel, des gaz à effet de serre et des puits de carbone, ainsi que des variations locales et saisonnières de teneurs (au moins pour le et le méthane), y compris pour l'océan qui joue une importance majeure pour le climat, afin notamment de détecter en temps réel des anomalies.
En 2017, la mission Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) est un premier pas vers une mesure spectrale du atmosphérique à échelles régionales (par grands biomes pour les biomes de taille suffisantes). Du à l'automne 2017, OCO-2 produit environ 2 millions d'estimations par mois de la fraction molaire de l'air sec en colonne (image embarquée), chaque image faisant l'objet d'un contrôle de qualité, avec une résolution spatiale inférieure à par « coup de sonde »Eldering A & al. (2017) “The Orbiting Carbon Observatory-2 early science investigations of regional carbon dioxide fluxes” |Science: 358 (6360) – Research Article |Science - Vol 358, Issue 6360 - 13 October 2017|résumé. Les variations saisonnières du dans l'hémisphère Nord (augmentation en hiver et diminution rapide en saison de végétation sont beaucoup plus précises, de même que l'évaluation des différentes entre régions à dominantes désertiques, humides, sèches, forestières, de grandes cultures, urbaines et régions industrielles (les zones urbaines/industrielles correspondant géographiquement à plus de 70 % des émissions anthropiques). Ceci ouvre la possibilité d'études beaucoup plus pointues des causes et localisations de variations des taux de atmosphérique à diverses échelles spatiotemporelles.
En outre, les capteurs du satellite renseignent sur la croissance de la biomasse végétale (via une mesure de fluorescence induite par le soleil ou SIF pour Solar-induced chlorophyll fluorescence qui est un indice de photosynthèse)Y. Sun & al (2017) OCO-2 advances photosynthesis observation from space via solar-induced chlorophyll fluorescence|Science: 358 (6360) – Research Article |Science - Vol 358, Issue 6360 - 13 octobre 2017 résumé. C'est un indicateur précieux pour suivre les processus biologiques de puits de carbone et productivité des écosystèmes, agrosystèmes et de la forêt cultivée, ces données présentant aussi un grand intérêt pour l'agriculture, la sylviculture, les pêcheries, l'écologie du paysage, etc., et il est ici fourni avec une précision inégalée en termes de résolution spatiale, d'acquisition des données et de précision de la récupération.
Avec une résolution spatiale d'environ 2,25 km pour les émissions de , le satellite OCO-2 est très loin d'approcher la précision de mesures faites in situ, mais il a une couverture mondiale et une résolution suffisante pour détecter les effets d'un volcan (p. ex. : ce satellite détecte des panaches constants de isolés émis par les volcans Yasur, Ambrym et Ambae (Vanuatu) corrélés aux panaches de dioxyde de soufre avec des effets sur le taux d'Ozone Mapping déjà suivis par la NASA)Schwandner Florian M. & al. (2017) “Spaceborne detection of localized carbon dioxide sources”|Science: 358 (6360) – Research Article |Science - Vol 358, Issue 6360 - 13 October 2017 | résumé; Selon une modélisation des émissions de O2 du volcan Yasur, compatible avec les données captées par OCO-2, son panache emporte 41,6 ± 19,7 kilotonnes de émis par jour (soit 15,2 ± 7,2 mégatonnes/an, l'équivalent du cumul des émissions d'environ 70 centrales thermiques alimentées par des combustibles fossiles et émettant chacune plus de 15 mégatonnes de /an.
OCO-2 peut aussi mettre en évidence les grandes variations d'émissions au sein d'une mégalopole selon sa géographie socioéconomique et le vent (testé sur Los Angeles où le satellite confirme que le dôme de pollution par le ne s'atténue au niveau rural qu'à plus de 100 km du centre-ville, avec des variations saisonnières et nocturnes/diurnes significatives), et même pour contribuer à la vérification des données publiées par les États ou certaines grandes industries ou par les centrales électriques au charbon, fioul ou gaz et/ou valorisant la biomasse (énergie) quant à leurs émissions de . Il montre ainsi rapidement que les émissions de carbone augmentent encore significativement en 2015 (par rapport à 2011) en Afrique, en Amérique du Sud et en Asie du Sud-Est (où les pays riches ont transféré une grande partie de leur production industrielle), tout en mettant déjà en évidence des variations contrastées des réponses du cycle du carbone en région tropicale (face à El Niño, aux sécheresses, aux grands feux de forêt, etc.). Les groupes de sources ponctuelles de urbain fusionnent et ne peuvent être différentiées par l'imagerie satellitaire mais d'importantes sources ponctuelles isolées (p. ex. centrales électriques, usines métallurgiques, papeteries ou cimenteries isolées) ou des phénomènes tels que grands feux de forêt ou dégazage continu d'un volcan en activité sont des sources qui créent de grands panaches de pollution pouvant être localisés (puis corrélés à d'éventuels effets climatiques ou écologiques).
Premières publications En , un numéro de la revue Science commence à présenter (en plusieurs articles) les résultats de OCO-2 (sur terre et en mer) ; détection d’émissions ponctuelles de ; variations de liées à El Niño ; évaluation de la production végétale primaire brute… Smith Jesse (2017) Measuring Earth's carbon cycle | Science | 13 octobre 2017 | Vol. 358, n°6360, pp. 186-187 | DOI:10.1126/science.358.6360.186 .