En 1889, près de la ville frontalière reculée d'Emudo, Nouveau Mexique, John Wesley Powell, le célèbre explorateur du Grand Canyon et deuxième chef de l'US Geological Survey, a commencé une révolution scientifique tranquille.

Il savait que l'eau serait de plus en plus importante pour l'Ouest américain, mais personne n'avait développé un moyen de déterminer combien était disponible. Powell a mis en place un camp de terrain avec 14 étudiants, trois instructeurs, deux ouvriers et un cuisinier, et leur a demandé de développer la première jauge pour mesurer la quantité d'eau qui s'écoule dans une rivière américaine.

Avec leur succès, il était possible de savoir combien d'eau pouvait être prélevée du Rio Grande pour l'irrigation sans qu'il devienne innavigable ou, pire, asséchant entièrement.

Plus d'un siècle plus tard, l'USGS en exploite plus de 10, 000 jauges de cours d'eau à travers le pays. Ils sont remarquablement similaires à cette première jauge Embudo. D'autres pays en exploitent des milliers d'autres.

Aujourd'hui, les hydrologues comme moi utilisent le réseau hydrométrique, ainsi que des réseaux tout aussi vastes de capteurs mesurant les précipitations, l'humidité du sol, l'épaisseur de la neige et d'autres parties du cycle de l'eau. Ces outils aident à montrer combien d'eau est disponible pour les personnes et les écosystèmes et comment cette eau se déplace d'un endroit à l'autre.

Se déplacer dans l'espace

Au cours des 30 dernières années, l'hydrologie s'est heurtée à un problème délicat. Il n'y a tout simplement pas assez de capteurs pour les questions auxquelles les hydrologues veulent répondre.

Essayer, par exemple, pour mesurer la quantité de neige stockée dans une chaîne de montagnes comme la Sierra Nevada en Californie. Cette eau est une ressource critique pour l'État. La Sierra Nevada contient environ 130 "oreillers à neige" qui mesurent la quantité d'eau stockée dans la neige directement au-dessus d'eux. Mais la superficie mesurée par les capteurs représente quelque chose comme 2 millionièmes de pour cent de la superficie totale de la Sierra.

Si vous essayez de calculer la quantité totale d'eau stockée dans les Sierras, vous vous heurtez à un mur méthodologique. Il n'y a pas de bon moyen de s'y rendre directement.

Ce genre de problème se pose partout en hydrologie, de la neige à l'humidité du sol et des rivières aux réservoirs. Bien que la mise en place de plus de capteurs soit une option, ils sont chers à entretenir, et il est impossible d'en mettre assez pour mesurer toute une chaîne de montagnes. Une meilleure option serait de mesurer de grandes surfaces d'un seul coup.

Depuis environ deux décennies, un petit groupe de scientifiques a suggéré une nouvelle solution :et s'ils pouvaient mesurer le cycle de l'eau depuis l'espace ?

Jay Famiglietti, de l'Université de la Saskatchewan, était l'un de ces scientifiques. Une grande partie du travail de Famiglietti a utilisé la mission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), une paire de satellites lancés en 2002. Les satellites, surnommé Tom et Jerry, chassez-vous autour de la planète et utilisez de minuscules variations de la distance entre eux pour mesurer les changements de la gravité terrestre. Beaucoup de ces variations proviennent du mouvement de l'eau. GRACE suit les changements dans le stockage total de l'eau dans les eaux souterraines, la surface et l'atmosphère.

"[GRACE] brosse un tableau convaincant, parce qu'il nous permet de voir l'empreinte humaine sur la disponibilité de l'eau, et l'impact du changement climatique sur la disponibilité en eau, " m'a dit Famiglietti. Certains de ses travaux avec GRACE ont montré de profondes pertes d'eau souterraine dans le nord de l'Inde, le Moyen-Orient et d'autres endroits qui pourraient être vulnérables à de futures pénuries d'eau. La paire originale de satellites GRACE s'est déconnectée en 2017, mais une nouvelle paire a été lancée l'année suivante.

Un âge d'or

D'autres satellites conçus pour mesurer des parties spécifiques du cycle de l'eau ont été mis en service à peu près en même temps que GRACE, bien qu'ils aient eu quelques limitations.

IceSAT, actif de 2003 à 2009, mesuré la forme changeante des glaciers et des calottes glaciaires, mais ses lasers ont eu quelques problèmes techniques qui ont limité sa durée de vie. La mission de mesure des précipitations tropicales a fourni des données sur les précipitations aux basses latitudes, mais cela a mal fonctionné pour la neige et les régions avec de forts orages. Les scientifiques ont trouvé des moyens améliorés d'utiliser les données des capteurs micro-ondes passifs, dont certains étaient déjà en orbite, pour estimer l'humidité du sol, mais ils n'ont fourni des données qu'à des échelles relativement grossières.

À partir de 2014, une nouvelle génération de satellites a offert des améliorations. La mission mondiale des précipitations, une constellation de satellites, s'est considérablement amélioré sur TRMM.IceSAT-2, que la NASA a lancé en 2018, a de bien meilleurs lasers que son prédécesseur. Les missions dédiées à l'humidité du sol lancées par l'Agence spatiale européenne et la NASA offrent des mesures plus finement réglées que les capteurs précédents ne le pouvaient.

Je fais partie d'une équipe internationale qui lancera le premier projet dédié à la mesure des ressources en eau les plus facilement accessibles de la Terre :les rivières et les lacs. La mission de topographie des eaux de surface et des océans (SWOT) est un capteur actif qui, à partir de 2021, enverra des impulsions radar vers la Terre et mesurera le temps qu'elles mettent pour revenir au satellite. Grâce à des algorithmes finement réglés, SWOT mesurera les changements dans la quantité d'eau stockée dans des millions de lacs et de réservoirs à travers le monde et estimera, depuis l'espace, la quantité d'eau qui s'écoule dans la plupart des grands fleuves du monde.

Avec tous ces satellites, les hydrologues pourront suivre de nombreuses parties individuelles du cycle de l'eau à l'aide d'observations spatiales. Le prochain défi consistera à rassembler toutes ces mesures de manière cohérente. Chaque satellite a ses propres particularités. Les scientifiques s'efforcent d'intégrer toutes leurs données passées et présentes avec des simulations informatiques du cycle de l'eau de la Terre.

Ensemble, ces observations peuvent aider à mieux prévoir la sécheresse, suivre les inondations et informer le monde sur la façon dont le changement climatique modifie l'accès aux ressources en eau. Par exemple, une suite de satellites a montré que les bassins enclavés du monde, déjà parmi les endroits les plus secs de la Terre, notamment la mer d'Aral en Asie centrale, perdent rapidement de l'eau.

Les agences spatiales conçoivent également de nouvelles missions pour couvrir des parties du cycle de l'eau que les satellites actuels ne peuvent pas encore observer de manière adéquate, comme le manteau neigeux de la Sierra Nevada. L'estimation de l'évaporation reste également un véritable défi. Current methods produce very different global patterns, and the path toward new solutions for reliably estimating evaporation from space remains uncertain.

Satellites have gone from curios on the sidelines of hydrology to central players in understanding the global water cycle. When John Wesley Powell sent 20-odd members of the new USGS to the banks of the Rio Grande, he likely couldn't have imagined that, 130 years later, water scientists like me would be following in his footsteps using satellites orbiting hundreds of miles overhead.

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