Des prévisions météorologiques précises sauvent des vies. L'instrument sondeur infrarouge atmosphérique (AIRS) de la NASA, lancé à cette date il y a 15 ans sur le satellite Aqua de la NASA, considérablement augmenté la précision des prévisions météorologiques en quelques années en fournissant des cartes tridimensionnelles extraordinaires des nuages, la température de l'air et la vapeur d'eau dans toute la couche météorologique de l'atmosphère. Quinze ans plus tard, AIRS continue d'être un atout précieux pour les prévisionnistes du monde entier, envoyer 7 milliards d'observations en continu dans les centres de prévision chaque jour.

En plus de contribuer à de meilleures prévisions, AIRS cartographie les gaz à effet de serre, suit les émissions volcaniques et la fumée des incendies de forêt, mesure les composés nocifs comme l'ammoniac, et indique les régions qui peuvent se diriger vers une sécheresse. Vous êtes-vous demandé comment le trou dans la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique guérit ? L'AIRS le constate également.

Ces avantages viennent du fait que l'AIRS voit beaucoup plus de longueurs d'onde de rayonnement infrarouge dans l'atmosphère, et fait beaucoup plus d'observations par jour, que les systèmes d'observation qui étaient auparavant disponibles. Avant le lancement d'AIRS, les ballons météo ont fourni les observations météorologiques les plus importantes. Des instruments satellitaires infrarouges antérieurs observés utilisant environ deux douzaines de "canaux" larges qui faisaient la moyenne de nombreuses longueurs d'onde ensemble. Cela a réduit leur capacité à détecter une structure verticale importante. Les ballons météo traditionnels ne produisent que quelques milliers de sondages (profils verticaux atmosphériques) de température et de vapeur d'eau par jour, presque entièrement sur terre. AIRS observe 100 fois plus de longueurs d'onde que les instruments précédents et produit près de 3 millions de sondages par jour, couvrant 85 pour cent du globe.

AIRS observe 2, 378 longueurs d'onde de rayonnement thermique dans l'air sous le satellite. "Avoir plus de longueurs d'onde nous permet d'obtenir une structure verticale plus fine, et cela nous donne une image beaucoup plus nette de l'atmosphère, " a expliqué Eric Fetzer, scientifique du projet AIRS du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie. Le temps se produit dans la troposphère, 7 à 12 milles de haut (11 à 19 kilomètres). La plupart des rayonnements infrarouges observés par l'AIRS proviennent également de la troposphère.

AIRS a été largement reconnu comme une grande avancée très rapidement. Trois ans seulement après son lancement, L'ancien administrateur de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Conrad Lautenbacher, a déclaré que l'AIRS a fourni "l'augmentation la plus significative de l'amélioration des prévisions [à notre époque] d'un seul instrument".

Au début

AIRS a été conçu par le scientifique de la NASA Moustafa Chahine. Dans les années 1960, Chahine et ses collègues ont d'abord conçu l'idée d'améliorer les prévisions météorologiques en utilisant un instrument hyperspectral, qui divise le rayonnement infrarouge et visible en des centaines ou des milliers de bandes de longueur d'onde. Il a piloté des prototypes expérimentaux dès les années 1970, mais AIRS ne s'est pas concrétisé jusqu'à ce que les progrès de la miniaturisation aient permis de construire un instrument avec la capacité nécessaire qui n'était pas trop lourd et encombrant à lancer. Chahin, décédé en 2011, est devenu le premier chef de l'équipe scientifique AIRS.

L'instrument a été construit par BAE Systems, maintenant situé à Nashua, New Hampshire, sous la direction du JPL. C'est l'un des six instruments volant sur le satellite Aqua dans la constellation de satellites A-Train. Avec une vie de mission prévue de cinq ans, il est toujours fort à 15 et devrait durer jusqu'à ce qu'Aqua soit à court de carburant en 2022.

La valeur de l'AIRS pour les prévisions météorologiques a été quantifiée dans plusieurs expériences menées par des centres de prévision du monde entier. En particulier, le Centre européen de prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF) a étudié en détail l'impact sur les prévisions de différents systèmes d'observation. "Les études du CEPMMT ont montré que dans de nombreuses circonstances, AIRS est responsable de la réduction des erreurs de prévision de plus de 10 pour cent. Il s'agit de la plus grande amélioration prévue de tout instrument satellite unique des années 2000, " a déclaré Joao Teixeira de JPL, le chef de l'équipe scientifique AIRS.

Voir plus que la météo

Les scientifiques ont toujours su que les mesures de l'AIRS contenaient des informations au-delà de ce dont les météorologues ont besoin pour les prévisions météorologiques. Les longueurs d'onde spectrales qu'il voit incluent des parties du spectre électromagnétique qui sont importantes pour l'étude du climat. Le dioxyde de carbone et d'autres gaz à l'état de traces laissent leurs signatures dans les mesures. Chahine a commenté plus tard, "Les informations sont toutes là dans les spectres. Nous devions juste trouver comment les extraire."

Au milieu et à la fin des années 2000, l'équipe du projet AIRS s'est tournée vers ce défi. En 2008, sous la direction de Chahine, ils ont publié les toutes premières cartes satellites mondiales du dioxyde de carbone dans la moyenne troposphère. Ces mesures ont montré pour la première fois que le plus important gaz à effet de serre produit par l'homme n'était pas mélangé uniformément dans l'atmosphère mondiale, comme les chercheurs l'avaient pensé, mais variait jusqu'à 1 pour cent (2 à 4 molécules de dioxyde de carbone sur chaque million de molécules de l'atmosphère).

Depuis, de plus en plus d'informations ont été extraites des spectres AIRS. L'équipe produit désormais également des ensembles de données pour le méthane, monoxyde de carbone, ozone, dioxyde de soufre et poussières, une influence importante sur la quantité de rayonnement du soleil qui atteint la Terre et la quantité qui s'échappe de la Terre vers l'espace. Les chercheurs ont utilisé ces nouveaux ensembles de données, et aussi la température AIRS d'origine, ensembles de données sur les nuages ​​et l'eau, pour de nombreuses découvertes. Pour ne citer que quelques découvertes récentes :

• Une étude de 2015 a montré que les mesures de l'humidité relative de l'AIRS près de la surface de la Terre étaient prometteuses pour détecter le début de la sécheresse près de deux mois avant les autres indicateurs.
• En 2013, les chercheurs ont utilisé l'enregistrement de données d'AIRS pour trouver 18 points chauds mondiaux pour les ondes de gravité atmosphériques - des ondulations de haut en bas qui peuvent se former dans l'atmosphère au-dessus de quelque chose qui perturbe le flux d'air, comme un courant ascendant d'orage ou une chaîne de montagnes. Ce nouvel enregistrement de l'endroit et du moment où les perturbations créent régulièrement des ondes de gravité est précieux pour améliorer les prévisions météorologiques et climatiques.
• Le réchauffement climatique augmente la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère, qui à son tour réchauffe l'atmosphère encore plus loin. Ce type de processus d'auto-alimentation est appelé boucle de rétroaction positive. Les climatologues ont longtemps émis l'hypothèse que cette rétroaction pourrait doubler le réchauffement dû à l'augmentation du dioxyde de carbone. Les données de température et d'humidité d'AIRS leur ont permis de confirmer cette hypothèse pour la première fois.

L'héritage d'AIRS

En raison de son succès retentissant, AIRS n'est plus unique en son genre. « La mission a démontré une approche de mesure qui sera utilisée par les agences opérationnelles dans un avenir prévisible, " a déclaré Tom Pagano, chef de projet AIRS de JPL. Déjà, il y a trois autres sondeurs hyperspectraux en orbite :le Cross-track Infrared Sounder (CrIS) sur le NASA/NOAA Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi-NPP), et deux instruments d'interféromètre de sondage atmosphérique infrarouge (IASI) sur les satellites Metop-A et -B d'EUMETSAT. Des sondeurs supplémentaires sont prévus pour le lancement dans les années 2030.

Ensemble, ces instruments hyperspectraux créeront un enregistrement de mesures très précises de notre atmosphère qui durera plusieurs décennies. Cela ajoutera un autre avantage à l'héritage d'AIRS :le potentiel d'amélioration de la compréhension du climat d'aujourd'hui et de demain.