Les satellites de surveillance du méthane – un nouveau point chaud dans la surveillance des gaz à effet de serre

Le principe de fonctionnement des satellites de surveillance du méthane repose sur l'estimation de la quantité totale de méthane par l'analyse de son absorption spectrale à différentes longueurs d'onde. La zone de surveillance par télédétection couvre la quantité de méthane dans l'espace entre le satellite et le sol, et son principal objectif est d'obtenir des données précises et continues dans l'espace et le temps sur la concentration de CH₄ dans l'atmosphère près de la surface.

Les premières détections spatiales de CH4 utilisaient principalement la bande infrarouge thermique. Cependant, la similarité des rayonnements émis par la surface et la basse atmosphère dans cette bande rend difficile leur distinction spectrale. De ce fait, l'infrarouge thermique est peu sensible aux variations de concentration de CH4 dans la basse atmosphère et ne permet pas de répondre aux exigences de détection des émissions de CH4 à proximité de la surface, conformément aux objectifs de réduction de ces émissions.

En comparaison, le spectre infrarouge à ondes courtes contient des signaux d'absorption du CH4 et des signaux de réflexion de surface présentant des caractéristiques sensiblement différentes. D'après l'analyse comparative de la sensibilité de la concentration de CH4 en colonne par rapport au profil de CH4, la bande infrarouge à ondes courtes est très sensible aux variations de CH4 atmosphérique près de la surface et se prête mieux à la surveillance des processus d'émission de CH4.

État actuel du lancement du satellite de surveillance du méthane

△Résumé des performances des satellites CH4 ayant achevé leur mission ou étant encore en orbite

Ces dernières années, grâce au développement rapide des technologies de détection spatiale du CH4 par infrarouge à ondes courtes, de nombreux satellites de détection infrarouge à ondes courtes ont été lancés, tant au niveau national qu'international, pour mener à bien des études de détection du CH4 et d'applications connexes. Ceci a favorisé le développement d'algorithmes d'inversion pour la télédétection satellitaire du CH4 et d'algorithmes d'inversion de flux, jetant ainsi les bases techniques nécessaires à l'amélioration des capacités d'exploration spatiale, à la production de données et à leur application directe. De plus, cela a démontré le potentiel de la détection infrarouge à ondes courtes pour l'estimation du bilan global sources-puits de CH4, tant du point de vue de la précision des données de détection que de l'estimation du flux.

acquisition de données satellitaires de surveillance du méthane

△État actuel et planification des satellites de surveillance des gaz à effet de serre au niveau national et international : le vert indique la surveillance du méthane

L'acquisition de données précises de détection du CH4 par satellite nécessite le recours à des algorithmes d'inversion de haute précision pour la télédétection satellitaire du CH4. La qualité des données de CH4 détectées par satellite dépend généralement du choix des instruments de détection et des paramètres d'inversion.

La détection infrarouge à ondes courtes (IROC) présente l'avantage d'être sensible aux variations de concentration de CH4 près de la surface, mais son spectre d'absorption est facilement affecté par des paramètres atmosphériques et de surface tels que les gaz interférents, la température, les nuages ​​et les aérosols, ce qui introduit des erreurs importantes. L'objectif des algorithmes d'inversion de haute précision est de réduire l'influence de ces facteurs interférents et d'extraire les informations de concentration du gaz cible à partir des informations spectrales exploitables. À l'échelle internationale, diverses méthodes d'inversion de télédétection satellitaire pour les gaz à effet de serre ont été mises au point à l'aide des satellites SCIAMACHY et GOSAT. Parmi celles-ci, les plus utilisées sont l'algorithme d'inversion par modèle entièrement physique, la méthode d'inversion par proxy et la méthode d'inversion WFM-DOAS.

Les algorithmes d'inversion tout physique utilisent des modèles directs pour simuler le processus de transfert radiatif atmosphérique des signaux, réduisant considérablement les erreurs dues aux incertitudes du trajet optique liées à la diffusion lors du transfert radiatif, et présentent généralement une précision d'inversion élevée. Les algorithmes de substitution utilisent habituellement des composants atmosphériques stables tels que le CO₂ comme représentants pour corriger l'influence des nuages ​​et des aérosols sur le trajet optique dans la bande de détection du CH₄, extrayant ainsi des informations efficaces sur la concentration de CH₄. L'algorithme WFM-DOAS, basé sur la spectroscopie d'absorption différentielle classique, utilise une fonction de pondération de la quantité totale de la colonne de gaz cible pour remplacer la section efficace d'absorption dans l'ajustement du spectre d'absorption différentielle.

Tendances futures de la surveillance du méthane

△Émissions de méthane provenant de diverses sources en Chine au cours de différents mois

Compte tenu des moyens techniques actuels des missions satellitaires de détection du CH4, et afin de répondre aux besoins de détection et de recherche à différentes échelles, il est nécessaire de construire un système de constellation permettant une détection collaborative par une combinaison de méthodes actives et passives, et d'approches en orbite haute et basse. La future détection mondiale du CH4 à haute résolution spatio-temporelle sera principalement réalisée grâce à la mise en réseau de satellites. L'exploitation exhaustive des résultats de détection de plusieurs satellites fournira un appui scientifique à l'évaluation de l'efficacité des mesures de réduction des émissions liées à la neutralité carbone et aux plans d'inventaire mondial du carbone.

Zhongke Xiguang Aérospatiale:Premier pays à déployer une constellation de satellites de télédétection à double usage commercial pour la surveillance du carbone.

S’appuyant sur le contexte existant, et après une étude de marché approfondie et un suivi des utilisateurs, CAS Xiguang Aerospace a pris l’initiative en Chine de lancer un programme de constellation de satellites de télédétection pour la surveillance du carbone et des puits de carbone, basé sur une technologie de détection spectrale ultra-précise. L’entreprise a conçu le premier satellite chinois commercial de surveillance du méthane, XIGUANG-004, capable de mesurer les concentrations des principaux gaz à effet de serre. Ce satellite de télédétection, destiné à la surveillance des sources et des puits de carbone, est équipé d’un détecteur de concentration de méthane, d’un détecteur de fluorescence de la chlorophylle et d’une caméra d’imagerie multispectrale. Il propose plusieurs modes de fonctionnement afin de répondre aux divers besoins des utilisateurs souhaitant effectuer une surveillance du carbone et des puits de carbone par télédétection satellitaire.

Le détecteur de concentration de méthane atteint une résolution spectrale de 0,1 nm et permet la détection quantitative de la concentration de méthane dans la colonne d'air, ainsi que sa quantification au-dessus d'une zone cible. Le détecteur de fluorescence de la chlorophylle offre une résolution spectrale allant jusqu'à 0,5 nm, permettant de détecter efficacement les variations subtiles du spectre de fluorescence produites lors de la photosynthèse. Ceci permet d'évaluer la productivité totale des plantes et d'orienter les échanges de carbone. La caméra d'imagerie multispectrale fonctionne dans huit bandes de lumière visible avec une résolution au sol de 10 m. Dotée d'une grande ouverture et d'un poids léger, elle est principalement utilisée pour l'acquisition d'images spectrales et spatiales du relief.

Ce satellite de 60 kg contribuera à la surveillance par télédétection du carbone et à l'évaluation du potentiel de neutralité carbone de la végétation naturelle et des infrastructures artificielles. Il permettra une observation à haute fréquence, à grande échelle et à large couverture des émissions et des puits de carbone à l'échelle mondiale, et jouera un rôle de premier plan dans le développement des satellites commerciaux d'observation du carbone en Chine.

△Émissions mondiales de méthane par secteur, 1970-2018

Face à l'urgence climatique mondiale, la réduction des émissions de CH4 est indispensable pour maîtriser le réchauffement climatique et atteindre la neutralité carbone. La télédétection satellitaire permet d'obtenir des données de concentration de CH4 à haute résolution spatio-temporelle, renforçant considérablement les capacités de collecte de données pour le suivi dynamique spatio-temporel du CH4, la comptabilisation des bilans carbone et l'évaluation des mesures de réduction des émissions, et fournissant ainsi des éléments de référence pour la gestion des changements climatiques futurs.

Certains éléments de cet article proviennent de sources telles que :

Sciences atmosphériques IAP

Analyse de l'état actuel et des tendances de développement des satellites d'observation du méthane atmosphérique visant la neutralité carbone et le pic de carbone dans mon pays

Yao Lu, Yang Dongxu, Cai Zhaonan, Zhu Sihong, Liu Yi, Deng Jianbo, Tian Longfei, Yin Zengshan, Lu Naimeng

Retour spatial et télédétection, Voix de l'Académie chinoise des sciences

En cas de violation de droits d'auteur, veuillez nous contacter afin que nous supprimions le contenu concerné.