État actuel et tendances de la surveillance du méthane embarquée

Il existe trois principales méthodes de détection du CH4 atmosphérique : au sol, aéroportée et satellitaire. La détection au sol, la plus ancienne à s’être développée, a donné naissance à un système d’observation représenté par le Réseau d’observation de la colonne totale de carbone (TCCON) et le Réseau national de détection des perturbations et des changements de la composition atmosphérique (NDACC). La détection aéroportée a également bénéficié du développement de plusieurs détecteurs, tels que le spectromètre d’absorption laser infrarouge aéroporté (ALIAS) et l’ALIAS de deuxième génération (ALIAS-II), le spectromètre imageur visible/infrarouge aéroporté (AVIRIS-Classic) et l’AVIRIS de nouvelle génération (AVIRIS-NG). Si les observations au sol et aéroportées offrent une grande précision, leur couverture spatiale est limitée, restreignant leur application aux observations localisées. L’observation satellitaire, insensible aux aléas climatiques, permet des observations continues, stables et de haute précision à l’échelle mondiale, et fournit une vérification et un appui aux inventaires d’émissions ascendants par une approche descendante.

capteur satellite de surveillance du méthane

Les méthodes de détection du CH4 atmosphérique par télédétection satellitaire se divisent en télédétection passive et active. La télédétection passive repose principalement sur les bandes infrarouges à ondes courtes (SWIR) de 1,65 μm et 2,3 μm, ainsi que sur la bande infrarouge thermique (TIR) ​​d'environ 8 μm. Les capteurs de détection passive du CH4 se répartissent donc en capteurs infrarouges thermiques et capteurs infrarouges à ondes courtes. Ces derniers acquièrent des informations en mesurant la rétrodiffusion atmosphérique, tandis que les capteurs infrarouges thermiques mesurent le rayonnement thermique atmosphérique. La télédétection active, illustrée par la mission lidar de télédétection du CH4 (MERLIN), utilise des capteurs qui émettent un rayonnement de manière autonome. Ce rayonnement, après interaction avec l'atmosphère, est capté et permet ainsi la détection. Dans l'infrarouge à ondes courtes, les molécules de CH4 présentent de nombreuses harmoniques et bandes de combinaison, notamment aux alentours de 1,66 μm et 2,3 μm. L'utilisation de ces deux bandes permet de caractériser efficacement les propriétés d'absorption du CH4 et d'obtenir ainsi des informations sur sa concentration. De plus, l'infrarouge à ondes courtes est plus sensible aux variations de concentration de CH4 près du sol, compensant ainsi les limitations de l'infrarouge thermique. C'est pourquoi la plupart des capteurs spatiaux développés ultérieurement ont utilisé des satellites infrarouges à ondes courtes pour la détection du CH4.

△ Satellites typiques de surveillance du méthane, en France et à l'étranger

Satellites d'exploration à l'échelle régionale

1. SCIMACHE

Le spectromètre d'absorption atmosphérique par imagerie à balayage (SCIAMACHY), embarqué à bord du satellite de surveillance environnementale ENVISAT de l'ESA, a été le premier détecteur spatial au monde à utiliser la bande d'absorption infrarouge à ondes courtes comme longueur d'onde de détection. Lancé en mars 2002, SCIAMACHY dispose de modes d'observation nadir, d'occultation et liminaire, permettant une mesure efficace de la composition chimique de l'atmosphère terrestre. Ce détecteur de rayonnement couvre le spectre allant de l'ultraviolet à l'infrarouge à ondes courtes, avec huit canaux et une gamme de longueurs d'onde de 0,24 à 2,38 micromètres. Les canaux 6 (1,63–1,67 micromètres) et 8 (2,26–2,38 micromètres) peuvent tous deux détecter le CH₄, avec des résolutions spectrales respectives de 1,48 nm et 0,26 nm.

2. Le satellite GOSAT du Japon

Le satellite GOSAT de première génération a été lancé sur une orbite héliosynchrone en janvier 2009, embarquant l'Observatoire du carbone infrarouge thermique et proche infrarouge (TANSO) pour la surveillance mondiale des gaz à effet de serre. TANSO est composé d'un spectromètre à transformée de Fourier (FTS) et d'un imageur de nuages ​​et d'aérosols (CAI). Le premier est utilisé pour la détection des gaz à effet de serre, tandis que le second permet de collecter simultanément des informations sur les nuages ​​et les aérosols en vue d'une inversion coordonnée. Le TANSO-FTS comprend quatre bandes spectrales : 0,758–0,775 µm, 1,56–1,72 µm, 1,92–2,08 µm et 5,56–14,3 µm, permettant généralement la détection et l'inversion du CH₄ autour de 1,6 µm, avec une résolution spectrale de 0,2 cm⁻¹. Le satellite GOSAT-2, lancé en octobre 2018, a succédé directement au satellite GOSAT et embarque également le spectromètre à transformée de Fourier de deuxième génération (TANSO-FTS-2). Ce système intègre des canaux de détection SIF et CO, améliorant ainsi le rapport signal/bruit et la précision de la détection des gaz à effet de serre. Le capteur présente une résolution spectrale inférieure à 0,2 cm⁻¹, couvrant les gammes 0,75–0,77 μm, 1,56–1,69 μm, 1,92–2,38 μm et 5,6–14,30 μm. La fenêtre de détection du CH₄ se situe autour de 1,67 μm, et la précision cible est de 5 × 10⁻⁹ sur une grille terrestre de 500 km et une grille océanique de 2 000 km. GOSAT et GOSAT-2 démontrent une performance stable et une grande précision, contribuant de manière significative à la surveillance mondiale des gaz à effet de serre.

3. Satellite Sentinel-5P de l'ESA

Sentinel-5P est un satellite de surveillance globale de la pollution atmosphérique, lancé par l'ESA le 13 octobre 2017. Il embarque un spectromètre atmosphérique de pointe à haute résolution spatiale, le Tropospheric Monitor (TROPOMI). Cet instrument possède une largeur de bande de 2 600 km et une résolution de 7 km × 5,5 km, permettant une couverture mondiale quotidienne et améliorant considérablement les capacités de couverture spatio-temporelle du satellite. TROPOMI est un spectromètre à balayage linéaire qui effectue des mesures dans trois régions spectrales principales : l'ultraviolet-visible (UVVIS) de 270 à 495 nm, le proche infrarouge (NIR) de 675 à 775 nm et l'infrarouge à ondes courtes (SWIR) de 2 305 à 2 385 nm. TROPOMI utilise l'information spectrale proche de 2,3 micromètres pour l'inversion du CH₄, atteignant une résolution spectrale de 0,25 nm et une précision d'inversion de 0,8 %.

4. Charge utile GMI du satellite Gaofen-5

△ Schéma de la charge utile Gaofen-5

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Lancé en mai 2018, le satellite GF-5 est celui qui embarque le plus de charges utiles et possède la plus haute résolution spectrale parmi les grands projets scientifiques et technologiques à haute résolution de mon pays. Il est également le premier satellite hyperspectral à spectre complet au monde à permettre une observation exhaustive de l'atmosphère et des terres émergées. Son instrument de surveillance des gaz à effet de serre (GMI) utilise la spectroscopie hétérodyne spatiale, avec sélection arbitraire des bandes spectrales et résolution hyperspectrale, ce qui en fait le premier instrument de télédétection des gaz à effet de serre embarqué au monde basé sur cette technologie. L'instrument dispose de quatre bandes spectrales pour l'O₂, le CO₂ et le CH₄, couvrant les gammes spectrales de 0,759 à 0,769 nm et de 1,568 à 2,058 μm. Le canal de détection du CH₄ est situé entre 1,642 et 1,658 μm, avec une résolution spectrale de 0,27 cm⁻¹, et vise à acquérir des données sur la concentration globale de CH₄ dans la colonne atmosphérique.

5. Satellite FY-3D

△ Moniteur de gaz à effet de serre FY3D GAS

En janvier 2019, la Chine a lancé FY-3D, son satellite météorologique polaire de nouvelle génération, équipé d'un capteur de gaz à effet de serre hyperspectral proche infrarouge (GAS). GAS est le premier capteur de gaz à effet de serre interférométrique spatial chinois. Sa méthode de détection repose sur la dispersion spectrale par réseau, avec deux bandes dans le proche infrarouge et deux bandes dans l'infrarouge à ondes courtes, correspondant respectivement aux longueurs d'onde de 0,75–0,77 μm, 1,56–1,72 μm, 1,92–2,08 μm et 2,20–2,38 μm. Les bandes 2 et 4 peuvent toutes deux être utilisées pour la détection du CH₄, avec des longueurs d'onde centrales de 1,6 μm et 2,3 μm respectivement, et une résolution spectrale de 0,27 cm⁻¹.

satellite de détection de sources ponctuelles

Outre les satellites d'observation globaux ou à grande échelle mentionnés précédemment, la détection de sources ponctuelles est également devenue un sujet de recherche très actif. Ces dernières années, le nombre de satellites et de capteurs de détection de sources ponctuelles basés sur l'imagerie hyperspectrale a connu une croissance exponentielle.

1. Satellite HGsat

△ Moniteur GHGSAT WAF-P

La constellation GHGSat est un système satellitaire développé par la société canadienne GHGSat Inc. pour la détection à haute résolution spatiale des gaz à effet de serre à l'échelle mondiale, ciblant principalement la détection et la quantification des sources ponctuelles. La constellation GHGSat comprend actuellement six satellites : GHGSat-D (Claire), lancé en juin 2016 ; GHGSat-C1 (Iris), lancé en septembre 2020 ; GHGSat-C2 (Hugo), lancé en janvier 2021 ; et GHGSat-C3 (Luca), C4 (Penny) et C5 (Diako), lancés en 2022. Chaque satellite est équipé d'un spectromètre imageur Fabry-Perot à grand champ (WAF-P), couvrant la bande infrarouge à ondes courtes de 1 630 à 1 675 nm, pour la détection du CH₄. Les satellites de la série GHGSat affichent une résolution spatiale allant jusqu'à 25 m et une précision d'inversion XCH4 de 18 × 10⁻⁹, ce qui est d'une grande importance pour l'estimation de haute précision des émissions de sources ponctuelles.

2. Charge utile AHSI du satellite Gaofen-5

△ Schéma de la charge utile Gaofen-5

La caméra hyperspectrale visible-infrarouge à ondes courtes (AHSI) embarquée à bord du satellite GF-5 de mon pays est un exemple typique de détection de sources ponctuelles. Premier capteur hyperspectral spatial à utiliser la spectrophotométrie à réseau convexe et une configuration améliorée à trois miroirs concentriques (Offner), elle possède 330 bandes spectrales couvrant la gamme de 0,4 à 2,5 μm, avec des résolutions spectrales de 5 nm pour le VNIR et de 10 nm pour le SWIR. L'AHSI présente une largeur de fauchée de 60 km et une résolution spatiale de 30 m. Utilisant les canaux spectraux de 2,11 à 2,45 μm, elle peut détecter la concentration de CH₄ provenant de sources ponctuelles avec une précision de 63 × 10⁻⁹.

3. Satellite PRISMA

PRISMA est une mission d'imagerie hyperspectrale à résolution moyenne développée par l'Agence spatiale italienne (ASI) en 2008, succédant à la mission HypSEO (Hyperspectral Earth Observation Satellite), désormais abandonnée. Lancé le 22 mars 2019, le satellite PRISMA, équipé d'une caméra hyperspectrale (HYC), couvre une gamme spectrale de 400 à 2505 nm avec une résolution spectrale inférieure à 10 nm et une résolution spatiale pouvant atteindre 30 m, fournissant des observations hyperspectrales dans le visible, le proche infrarouge et l'infrarouge à ondes courtes. À l'instar d'AHSI sur le satellite Gaofen-5, HYC utilise une fenêtre spectrale de 2110 à 2450 nm pour détecter la concentration de CH₄ avec une précision de 149 × 10⁻⁹.

4. Satellite ENMAP

Le programme EnMAP (Cartographie et analyse de l'environnement) est une mission satellitaire développée par l'Allemagne, conçue pour acquérir des données d'imagerie hyperspectrale de l'atmosphère et de la surface terrestres. Le satellite éponyme a été lancé le 1er avril 2022.

Il est équipé d'un imageur hyperspectral (HSI). Cet instrument est un imageur à balayage linéaire capable d'observer la gamme spectrale de 430 à 2450 nm. EnMAP possède 228 bandes spectrales réparties dans les canaux VNIR et SWIR, avec des résolutions spectrales respectives de 6,5 nm et 10 nm. La résolution spatiale est de 30 m et la largeur maximale de la fauchée est de 30 km. Parmi celles-ci, la bande 2200–2400 nm peut être utilisée comme fenêtre de détection du CH4, avec une précision de détection de 3 % à 7 %.

5. Charge utile EMIT

△ La charge utile EMIT est transportée à bord de la Station spatiale internationale

S’appuyant sur la mission EMIT (Earth Surface Mineral Dust Source Survey) de la NASA, la charge utile EMIT a été lancée le 14 juillet 2022 par la 25e mission de ravitaillement commercial (CRS-25) de SpaceX et installée à bord de la Station spatiale internationale. EMIT est un spectromètre imageur hyperspectral couvrant la gamme spectrale de 380 à 2500 nm, avec un intervalle d’échantillonnage spectral de 7,4 nm et une résolution spatiale de 60 m. Grâce à son canal caractéristique du CH4 (2200–2400 nm), EMIT peut également être utilisé pour la détection globale des sources ponctuelles de CH4.

6. Satellite MethaneSAT

La mission MethaneSAT, développée conjointement par les États-Unis et la Nouvelle-Zélande, déploie un satellite d'observation de la Terre, MethaneSAT, dont le lancement est prévu en 2023. Son objectif principal est d'observer les ressources de la Terre, en particulier celles qui représentent 80 % de la production mondiale de pétrole et de gaz.

Les régions susmentionnées feront l'objet d'une surveillance systématique des émissions de CH4. Le satellite MethaneSAT possède une largeur de fauchée d'environ 200 km et une haute résolution spatiale de 100 m × 400 m, lui permettant d'effectuer des observations quantitatives des émissions de CH4. MethaneSAT embarque un spectromètre haute performance pour la détection du CH4, couvrant la gamme spectrale de 1605 à 1683 nm, avec une fréquence d'échantillonnage spectrale de 0,1 nm, une résolution spectrale de 0,3 nm et un seuil de détection du CH4 de 2 × 10⁻⁹.

Tendances de surveillance des capteurs satellitaires de méthane

À l'avenir, les capteurs satellitaires de détection du CH4 continueront de progresser vers une haute résolution spatio-temporelle, une grande précision, une exactitude élevée et une observation continue intégrée. Cependant, un seul satellite étant encore insuffisant pour répondre aux exigences d'une détection mondiale du CH4 de haute précision, il est nécessaire d'accélérer le développement des réseaux satellitaires. Les observations réalisées à l'aide d'un réseau multisatellite permettent d'atteindre des taux de revisite, une sensibilité et une exactitude plus élevés, assurant une couverture mondiale rapide et renforçant ainsi les capacités de télédétection des satellites atmosphériques de détection du CH4.

Pour répondre au besoin de surveillance satellitaire des émissions de carbone provenant de sources ponctuelles clés, des méthodes avancées telles que le modèle de panache gaussien sont employées. Ce modèle intègre des données de champ de vent à haute résolution spatio-temporelle avec des produits satellitaires de gaz à effet de serre CH4 à haute résolution afin d'établir un système complet de surveillance et de simulation des émissions de sources ponctuelles. Ce système permet une simulation dynamique de la diffusion des gaz à effet de serre, une estimation de haute précision des émissions de sources ponctuelles à partir de données atmosphériques de gaz à effet de serre observées par satellite, et assure une capacité opérationnelle.