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Cartographie des voies navigables de la Terre depuis l'espace : comment SWOT transforme la prévision des inondations

SciTechDaily

Conçu pour réaliser la toute première étude mondiale des eaux de surface de la Terre, le satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography) collectera des mesures détaillées de l'évolution des masses d'eau sur Terre au fil du temps. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Le satellite SWOT, un effort de collaboration entre NASA et le CNES, révolutionne la prévision des crues en fournissant des données complètes sur les hauteurs d'eau sur presque toutes les surfaces d'eau de la planète.

Les rivières, les lacs et les réservoirs agissent comme les artères de notre planète, transportant l'eau vitale à travers de vastes réseaux interconnectés. Lorsque le cycle de l'eau sur Terre est trop rapide, des inondations peuvent en résulter, mettant en danger des vies et des biens. Ce risque augmente à mesure que le changement climatique modifie les régimes de précipitations et que de plus en plus de personnes vivent dans des zones sujettes aux inondations dans le monde.

Les scientifiques et les gestionnaires de l’eau utilisent de nombreux types de données pour prédire les inondations. Cette année, ils disposent d’un nouvel outil : les données sur l’eau douce du satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography). L'observatoire, une collaboration entre la NASA et l'agence spatiale française, le CNES (Centre National d'Études Spatiales), mesure la hauteur de presque toutes les surfaces d'eau de la Terre. SWOT a été conçu pour mesurer toutes les grandes rivières d'une largeur supérieure à environ 300 pieds (100 mètres), et les résultats préliminaires suggèrent qu'il pourrait être possible d'observer des rivières beaucoup plus petites.

Inondations de la rivière Souris dans le Dakota du Nord

Les inondations de la rivière Souris ont inondé cette communauté du Dakota du Nord en 2011. Le satellite franco-américain SWOT offre aux scientifiques et aux gestionnaires de l'eau un nouvel outil pour observer les inondations en 3D, des informations qui peuvent améliorer les prévisions sur l'endroit et la fréquence des inondations. Crédit : Commission de l’eau de l’État du Dakota du Nord

Les jauges de cours d'eau peuvent mesurer avec précision les niveaux d'eau des rivières, mais uniquement à des endroits individuels, souvent très espacés. De nombreuses rivières ne disposent d'aucun jaugeage, en particulier dans les pays qui ne disposent pas des ressources nécessaires pour les entretenir et les surveiller. Les jauges peuvent également être désactivées par les inondations et ne sont pas fiables lorsque l'eau dépasse les berges de la rivière et s'écoule dans des zones qu'elles ne peuvent pas mesurer.

SWOT fournit un aperçu 3D plus complet des inondations, mesurant leur hauteur, leur largeur et leur pente. Les scientifiques peuvent utiliser ces données pour mieux suivre la façon dont les eaux de crue se propagent dans un paysage, améliorant ainsi les prévisions sur l'endroit où les inondations se produiront et à quelle fréquence.

Inondations causées par les pluies de mousson dans le nord-est du Bangladesh

Les inondations dues aux pluies de mousson couvrent une vaste région du nord-est du Bangladesh ce 8 octobre 2023, image montrant les données de SWOT. Le satellite franco-américain est le premier à fournir en temps opportun des informations précises et à haute résolution sur l'élévation de la surface de l'eau sur des régions entières, permettant ainsi d'améliorer les prévisions des inondations. Crédit : NASA/JPL-Caltech/UNC-Chapel Hill/Google Earth

Construire un meilleur modèle d'inondation

Un effort visant à intégrer les données SWOT dans les modèles d'inondation est dirigé par J. Toby Minear de l'Institut coopératif de recherche en sciences de l'environnement (CIRES) à Boulder, Colorado. Minear étudie comment intégrer les données SWOT dans le modèle national de l'eau de la National Oceanic and Atmospheric Administration, qui prédit le potentiel d'inondation et son timing le long des rivières américaines. Les données SWOT sur l’eau douce combleront les écarts spatiaux entre les jauges et aideront les scientifiques comme Minear à déterminer les niveaux d’eau (hauteurs) auxquels les inondations se produisent à des endroits spécifiques le long des rivières.

Données SWOT sur la pente de la rivière Sacramento en Californie

Les données SWOT sur les pentes des rivières, comme celles illustrées ici pour la rivière Sacramento en Californie, peuvent améliorer les prévisions sur la vitesse à laquelle l'eau s'écoule dans les rivières et hors des paysages. Pour calculer la pente, les scientifiques soustraient le niveau d’eau inférieur (à droite) du niveau supérieur (à gauche) et divisent par la longueur du segment. Crédit : NASA/JPL-Caltech/UNC-Chapel Hill/Google Earth

Il s'attend à ce que SWOT améliore les données du modèle national de l'eau de plusieurs manières. Par exemple, cela fournira des estimations plus précises des pentes des rivières et de la manière dont elles changent en fonction du débit. D'une manière générale, plus la pente d'une rivière est forte, plus son eau s'écoule rapidement. Les modélisateurs hydrologiques utilisent les données de pente pour prédire la vitesse à laquelle l'eau se déplace dans une rivière et hors d'un paysage.

SWOT aidera également les scientifiques et les gestionnaires de l’eau à quantifier la quantité d’eau que les lacs et les réservoirs peuvent stocker. Bien qu'il existe environ 90 000 réservoirs relativement grands aux États-Unis, seuls quelques milliers d'entre eux disposent de données sur le niveau de l'eau intégrées au modèle national de l'eau. Cela limite la capacité des scientifiques à connaître la relation entre les niveaux des réservoirs, l'élévation des terres environnantes et les inondations potentielles. SWOT mesure des dizaines de milliers de réservoirs américains, ainsi que presque tous les lacs naturels américains plus grands qu'environ deux terrains de football réunis.

Certains pays, dont les États-Unis, ont réalisé d’importants investissements dans des réseaux de jaugeage des rivières et des modèles détaillés d’inondations locales. Mais en Afrique, en Asie du Sud, dans certaines parties de l’Amérique du Sud et dans l’Arctique, il existe peu de données sur les lacs et les rivières. Dans de tels endroits, les évaluations des risques d’inondation reposent souvent sur des estimations approximatives. Une partie du potentiel de SWOT réside dans le fait qu'il permettra aux hydrologues de combler ces lacunes, en fournissant des informations sur l'endroit où l'eau est stockée dans les paysages et sur la quantité d'eau qui s'écoule dans les rivières.

Trépied de niveaux Marissa Hughes

Marissa Hughes, doctorante à l'UNC-Chapel Hill, met à niveau un trépied pour installer une unité GPS afin de mesurer avec précision l'élévation de la surface de l'eau d'un segment de la rivière Waimakariri en Nouvelle-Zélande. Les mesures ont été utilisées pour calibrer et valider les données du satellite franco-américain SWOT. Crédit : Alyssa LaFaro/UNC Research

Tamlin Pavelsky, responsable scientifique SWOT de la NASA sur l'eau douce et chercheur à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, affirme que SWOT peut aider à faire face à la menace croissante d'inondations causées par des tempêtes extrêmes alimentées par le changement climatique. « Pensez à Houston et à l'ouragan Harvey en 2017 », a-t-il déclaré. « Il est très peu probable que nous aurions vu 60 pouces de pluie suite à une seule tempête sans le changement climatique. Les sociétés devront mettre à jour les normes de conception technique et les cartes des plaines inondables à mesure que les précipitations intenses deviennent plus courantes.

Pavelsky affirme que ces changements dans le cycle de l'eau sur Terre modifient les hypothèses de la société concernant les inondations et ce qu'est une plaine inondable. « Des centaines de millions de personnes dans le monde seront exposées à un risque accru d'inondations à l'avenir, à mesure que les précipitations deviennent de plus en plus intenses et que la population augmente dans les zones sujettes aux inondations », a-t-il ajouté.

Les données d’inondation SWOT auront d’autres applications pratiques. Par exemple, les assureurs peuvent utiliser des modèles basés sur les données SWOT pour améliorer les cartes des risques d'inondation afin de mieux estimer les dommages potentiels et les risques de pertes d'une zone. Une importante société de réassurance, FM Global, fait partie des 40 premiers utilisateurs actuels de SWOT, une communauté mondiale d'organisations qui s'efforcent d'intégrer les données SWOT dans leurs activités décisionnelles.

« Des entreprises comme FM Global et des agences gouvernementales comme l'Agence fédérale américaine de gestion des urgences peuvent affiner leurs modèles d'inondation en les comparant aux données SWOT », a déclaré Pavelsky. « Ces meilleurs modèles nous donneront une image plus précise de l’endroit et de la fréquence des inondations susceptibles de se produire. »

En savoir plus sur la mission

Lancé le 16 décembre 2022 depuis la base spatiale de Vandenberg, dans le centre de la Californie, SWOT est désormais dans sa phase opérationnelle, collectant des données qui seront utilisées à des fins de recherche et à d’autres fins.

SWOT a été développé conjointement par la NASA et le CNES, avec la contribution de l'Agence spatiale canadienne (ASC) et de l'Agence spatiale britannique. Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, géré pour l'agence par Caltech à Pasadena, en Californie, pilote le volet américain du projet. Pour la charge utile du système de vol, la NASA a fourni l'instrument KaRIn, un GPS récepteur scientifique, un rétroréflecteur laser, un radiomètre micro-ondes à deux faisceaux et des instruments de la NASA. Le CNES a fourni le système Doppler Orbitographie et Radioposition Intégrée par Satellite (DORIS), l'altimètre Poséidon bi-fréquence (développé par Thales Alenia Space), le sous-système radiofréquence KaRIn (en collaboration avec Thales Alenia Space et avec le soutien de l'Agence spatiale britannique), le satellite plate-forme et opérations au sol. CSA a fourni l’ensemble émetteur haute puissance KaRIn. La NASA a fourni le lanceur et le programme de services de lancement de l'agence, basé au Kennedy Space Center, et a géré les services de lancement associés.

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