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La Terre et l’environnement observés depuis l’espace

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Anny Cazenave

La Terre et l’environnement observés depuis l’espace

Leçon inaugurale prononcée le jeudi 21 mars 2013

Anny Cazenave

Note de l’éditeur

La chaire annuelle de Développement durable – Environnement, énergie et société reçoit le soutien de TOTAL.

Texte intégral

1Monsieur l’Administrateur,
Chers collègues,
Mesdames et Messieurs,

2Je voudrais tout d’abord remercier très vivement Monsieur l’Administrateur et l’Assemblée des professeurs du Collège de France de m’avoir nommée sur cette chaire annuelle, ainsi qu’Édouard Bard de leur avoir proposé ma candidature. C’est un grand honneur pour moi de participer à l’enseignement dispensé dans cette prestigieuse institution. C’est aussi très intimidant si l’on considère la très grande renommée des professeurs du Collège de France et de mes prédécesseurs sur cette chaire. Mais en même temps, c’est un plaisir et un privilège de parler de l’espace qui, depuis plus de cinquante ans, a tant apporté à la science et a fait progresser de façon spectaculaire notre connaissance de la Terre et de l’environnement.

Introduction

3Les observations sur le passé de la Terre montrent que notre planète a connu depuis toujours des changements de grande envergure, qu’il s’agisse de la configuration des continents et des océans, de la topographie de la surface des continents ou du fond de l’océan, du climat et de la biosphère. Ces évolutions lentes ou brutales sont une propriété intrinsèque de la Terre, que l’on qualifie souvent de « vivante ». Outre ces évolutions naturelles, la planète connaît depuis plusieurs siècles d’autres changements rapides directement liés aux activités humaines ; c’est le cas de l’urbanisation, de la déforestation, de l’occupation des sols, des modifications du cours des rivières, pour ne citer que quelques exemples, affectant principalement les terres émergées où vit l’espèce humaine. D’autres changements moins visibles et pourtant directement liés à la présence de l’homme sur Terre modifient aussi notre environnement immédiat, par exemple la composition de l’atmosphère, avec son impact sur le climat, ou encore les écosystèmes terrestres et marins. Ces phénomènes auxquels on attribue le terme de changements globaux suscitent de nombreuses interrogations, comme par exemple : les impacts des activités humaines sur l’environnement sont-ils de nature à déstabiliser les équilibres naturels ? Existe-t-il des points de non-retour (irréversibilité), comme la disparition d’une fraction importante des calottes polaires ou l’arrêt de la circulation océanique thermohaline en réponse à un réchauffement important du climat ? Quelles seront les ressources en eau des différents continents dans les prochaines décennies ? La planète sera-t-elle en mesure d’assurer en 2050 l’alimentation de 9 milliards d’humains ?

4Pour répondre à ces questions et anticiper les conséquences de tels changements sur l’environnement et les sociétés humaines, il est impératif d’observer les différentes composantes du système Terre et d’expliquer leur évolution en tentant de distinguer les causes naturelles des causes anthropiques. La tâche est difficile car la Terre est une machine complexe au sein de laquelle toutes les composantes (océans, atmosphère, terres émergées) interagissent entre elles sur des échelles de temps et d’espace variées en réponse aux forçages naturels et anthropiques. De plus, des changements locaux ou régionaux peuvent induire des changements globaux : par exemple, une éruption volcanique peut induire des changements climatiques globaux pendant plusieurs années. Inversement, des changements globaux peuvent avoir des impacts très locaux : par exemple, la hausse du niveau de la mer peut conduire à la submersion totale d’un atoll.

5La Terre est un ensemble de systèmes dynamiques en interaction les uns avec les autres. Pour les comprendre et les expliquer, il faut d’abord les observer. C’est ce que les scientifiques cherchent à faire depuis plusieurs décennies, à l’aide de moyens d’observation sans cesse plus performants.

6L’observation de la Terre depuis l’espace, développée depuis le milieu du xxe siècle, joue ici un rôle crucial, sans toutefois supplanter les systèmes d’observation au sol toujours indispensables. Les atouts de l’observation spatiale sont bien connus :

  • Les observations sont globales et couvrent des régions difficiles d’accès, comme les pôles et les déserts, ou les zones de conflits. Elles fournissent une vision synoptique des phénomènes.

  • Les mesures sont répétitives, homogènes et peuvent couvrir de longues périodes de temps : en repassant régulièrement sur une même région du globe, le satellite peut détecter les changements et assurer le suivi des évolutions temporelles des phénomènes. Éventuellement, selon la nature et les caractéristiques du signal, il est possible d’attribuer une cause naturelle ou au contraire anthropique aux changements observés.

  • Si le satellite embarque différents capteurs (ou si l’on associe les données de plusieurs satellites en orbite), on observe simultanément différents paramètres fournissant une vision intégrée de l’état du système.

  • La capacité de l’espace à fournir des observations globales en temps quasi réel ou très peu différé peut s’avérer cruciale pour le suivi des catastrophes naturelles et leur gestion.

  • 1 Science ayant pour objet la détermination de la forme de la Terre et du champ de gravité, ainsi que (...)

7L’exploration spatiale débuta lors de l’Année géophysique internationale de 1957-1958, avec le lancement de Spoutnik-1 le 4 octobre 1957 par l’Union soviétique et d’Explorer-1 par les États-Unis le 31 janvier 1958. Bien que marquée par des préoccupations stratégiques liées au contexte de la guerre froide, l’exploration spatiale dans ses débuts a principalement servi à faire progresser la connaissance scientifique. On doit au satellite américain Explorer-1 la découverte des ceintures de Van Allen. En octobre 1959, la face cachée de la Lune était photographiée pour la première fois par la sonde soviétique Luna-3. Les premières vues globales de la Terre sont dues au satellite Tiros-1 en 1960. Précurseur des satellites météo­rologiques actuels, Tiros-1 a fourni plus de 20 000 images de la Terre et de la couverture nuageuse. En 1964, la sonde Mariner-4 a été la première à nous dévoiler la morphologie de la surface de Mars, tandis qu’en 1967, des sondes russes et américaines fournissaient les toutes premières informations sur la composition de l’atmosphère de Vénus. Le tout premier satellite français, Astérix, simple capsule technologique lancée par une fusée française le 26 novembre 1965, a permis à la France de prendre la troisième place dans l’aventure spatiale jusque-là dominée par l’Union soviétique et les États-Unis. Mais c’est avec FR-1, satellite dédié à l’étude de l’environnement électromagnétique, et Diapason, satellite de géodésie, lancés respectivement en décembre 1965 et en février 1966, qu’a réellement débuté la recherche spatiale en France. Tout en évoluant dans plusieurs directions – notamment grâce à l’autonomie de l’accès à l’espace, le développement de la coopération avec les États-Unis et l’URSS, puis d’autres pays, et la création de l’Europe spatiale –, la France a depuis cinquante ans contribué à tous les domaines que l’espace permet d’aborder : la météo­rologie, la géo­désie1, l’observation de la Terre, l’océano­graphie, l’explo­ration planétaire, l’astro­nomie, les télé­communications, la navigation, la localisation, la défense et l’utilisation de la microgravité pour les sciences de la matière ou du vivant.

8Dans ce qui suit, je présenterai l’état des connaissances actuelles sur différents volets des sciences de la planète pour lesquels l’espace a joué un rôle particulier. La séquence choisie pour cette leçon correspond largement à la chronologie historique de leur développement et de mon implication personnelle dans ces recherches.

Forme de la Terre et champ de gravité

  • 2 Valeur environ 10–5 fois plus petite que le rayon terrestre ; ces ondulations sont invisibles sur l (...)

9Une importante découverte des premières missions spatiales concerne la forme réelle de la Terre. C’est l’une des premières questions scientifiques posées par les hommes de science et les philosophes de l’Antiquité. Ceux-ci ont très vite établi que la Terre était ronde. En faisant l’hypothèse que la Terre était fluide au moment de sa formation, Newton émit en 1687 l’hypothèse que la rotation diurne avait donné à la Terre la forme d’un sphéroïde aplati aux pôles. La question de l’aplatissement des pôles fut l’objet de vives controverses durant les décennies suivantes. L’astronome Jacques Cassini fit réaliser au début du xviiie siècle des mesures de la longueur du méridien terrestre passant par Dunkerque et Collioure par une méthode dite « de triangulation ». Ces mesures suggéraient que la Terre était au contraire aplatie à l’équateur et avait la forme d’un citron. Il fallut attendre les expéditions de Clairaut et Maupertuis en Laponie, et celles de Bouguer et de La Condamine au Pérou, organisées en 1735 par l’Académie des sciences, pour confirmer l’aplatissement des pôles – l’arc de méridien étant plus long en Laponie qu’au Pérou. Durant les deux siècles qui suivirent, des mesures géodésiques de plus en plus performantes permirent d’affiner la valeur de l’aplatissement géométrique de la Terre (le rayon polaire de la Terre est plus petit que le rayon équatorial de 21 km). Mais jusqu’au lancement des premiers satellites artificiels à la fin des années 1950, c’est tout ce que l’on savait sur la forme de la Terre à grande échelle. Grâce à la mesure des déformations des orbites des satellites, on a alors découvert que la Terre ressemble à un patatoïde bosselé. Si la Terre était sphérique, homogène, indéformable et sans enveloppes fluides, le mouvement du satellite serait décrit simplement par les lois de la mécanique à deux corps et obéirait aux lois de Kepler : son orbite serait une ellipse dont les caractéristiques seraient invariables dans le temps. En réalité, la Terre a une structure interne complexe et elle est enveloppée d’un océan et d’une atmosphère. La répartition non uniforme de la matière dans les différentes enveloppes du globe induit un champ de gravité variable géographiquement, produisant des déformations complexes des orbites des satellites artificiels. Le suivi temporel de ces déformations au moyen de la télémétrie laser sur satellite ou du décalage Doppler de signaux radioélectriques entre des stations au sol et le satellite, permet de déterminer le champ de gravité terrestre. Celui-ci est visualisé au moyen d’une surface « équipotentielle » appelée géoïde (la forme de la Terre), coïncidant avec le niveau moyen des océans au repos. À grande échelle, le géoïde présente deux grandes bosses, l’une centrée sur l’Islande et englobant presque tout l’Atlantique nord, l’autre située dans la partie ouest du Pacifique tropical. Un creux situé au sud de l’Inde est aussi observé. L’amplitude de ces ondulations est de l’ordre de la centaine de mètres2.

  • 3 Le gradiomètre du satellite GOCE est un instrument constitué de trois paires d’accéléromètres dispo (...)

10Depuis plus de cinquante ans, l’étude des orbites des satellites géodésiques a permis d’établir des cartes de plus en plus précises des anomalies à grandes longueurs d’onde du géoïde. Plusieurs générations du géoïde global ont été publiées ces dernières décennies, en particulier par les chercheurs français, grâce à l’étude des orbites de nombreux satellites géodésiques portant sur plusieurs décennies d’observation. Récemment, l’Agence spatiale européenne a développé le satellite GOCE (mis en orbite en 2009) pour cartographier le champ de gravité terrestre avec une précision sans précédent grâce à une nouvelle technologie utilisant un gradiomètre embarqué3.

11On sait aujourd’hui qu’à très grande échelle, les creux et les bosses du géoïde sont liés au phénomène de convection qui anime le manteau terrestre. La tomographie sismique, développée au cours des années 1980 grâce à la mise en place de réseaux globaux de stations sismiques à large bande, a permis de cartographier à différentes profondeurs dans le manteau les régions du manteau où la vitesse des ondes sismiques est anormale par rapport à la propagation moyenne. Classiquement, on associe les vitesses « lentes » à des régions chaudes du manteau et les vitesses « rapides » à des régions froides, en lien avec des courants ascendants et descendants de la convection. On a ainsi découvert que les grandes bosses du géoïde coïncident avec les régions chaudes du manteau inférieur et les creux avec les régions froides. L’interprétation combinée des anomalies de densité internes déduites de la tomographie sismique et des anomalies observées du géoïde fournit d’importantes informations sur la structure du manteau de la Terre et plus particulièrement sur les variations de la viscosité avec la profondeur. En effet, aux très grandes longueurs d’onde, ce sont in fine les déformations des interfaces du manteau qui causent les anomalies du géoïde ; ces déformations sont très sensibles aux contrastes de viscosité entre chacun des compartiments du manteau (en particulier à l’interface entre manteau inférieur et manteau supérieur, située à 660 km de profondeur) et donc aux caractéristiques de la convection. Avec l’apparition des premières cartes globales de tomographie sismique au début des années 1980, les géophysiciens ont développé des modèles combinant géoïde observé et anomalies de vitesses sismiques pour comprendre la structure convective à grande échelle du manteau terrestre. Beaucoup d’autres études ont suivi depuis trois décennies mais sans radicalement changer les conclusions initiales. Celles-ci suggèrent une augmentation de la viscosité du manteau inférieur d’un facteur d’environ 30 par rapport à celle du manteau supérieur, et l’existence d’une zone à faible viscosité au-dessus de la discontinuité entre manteau supérieur et manteau inférieur à 660 kilomètres de profondeur. Ces études ont permis en outre de montrer qu’en plus des anomalies thermiques, des hétérogénéités chimiques contribuent aussi au géoïde, en particulier au niveau des zones de subduction. Les implications sur la géométrie de la convection mantellique sont en faveur d’une convection à grande échelle dans le manteau. Certaines régions plus « poreuses » au niveau de la zone de transition facilitent le transfert de la matière entre les deux compartiments du manteau, en particulier au niveau de certaines plaques en subduction.

12Sur de plus courtes distances, disons inférieures à 1000 kilomètres, la forme de la Terre présente aussi des ondulations. Mais cela a été découvert plus tard, non pas par l’étude des trajectoires des satellites mais grâce à une autre technique, l’altimétrie spatiale. L’altimétrie spatiale a été développée dès le milieu des années 1970 pour étudier les océans. Cette technique permet de cartographier directement la topographie de la surface de la mer à l’aide d’un radar altimètre embarqué sur le satellite. Une couverture complète des océans est obtenue en quelques jours seulement, avec un quadrillage très fin. Mettons de côté pour l’instant les oscillations temporelles de la surface océanique liées aux phénomènes océanographiques – nous y reviendrons plus loin. Contrairement à ce que l’on pourrait croire, la surface moyenne de la mer n’est pas plane mais ondulée. Elle présente des creux et des bosses permanents dont l’amplitude est de l’ordre de quelques mètres. Leur extension spatiale est de l’ordre de la centaine de kilomètres (ou moins). Ces creux et ces bosses de la surface marine sont une véritable image des reliefs sous-marins. Au-dessus d’une montagne sous-marine, la mer se bombe de quelques mètres. Au-dessus d’une fosse océanique, elle se creuse. Les reliefs sous-marins produisent des variations géographiques de la gravité de la Terre qui se traduisent par des ondulations permanentes de la surface de la mer. En cartographiant ces dernières, les satellites altimétriques nous ont fourni des informations précieuses sur la topographie sous-marine. Pendant des décennies, la topographie des fonds marins a été mesurée par sondage acoustique à partir de navires. Mais de vastes régions océaniques sont restées totalement inexplorées, en particulier dans l’hémisphère sud. Grâce à l’altimétrie spatiale, on a pu établir des cartes à haute résolution de l’ensemble des fonds marins et ainsi affiner la position des chaînes de volcans sous-marins, des dorsales océaniques, des zones de fractures et des zones de subduction. On a aussi découvert d’autres structures jusqu’ici insoupçonnées ou cartographiées de façon incomplète à partir des bateaux : par exemple d’innombrables montagnes sous-marines dont la moitié n’avait jamais été cartographiée, et quantité de reliefs fossiles témoins d’une activité tectonique aujourd’hui disparue. Ces données se sont avérées très utiles non seulement pour les géophysiciens, mais aussi pour la navigation sous-marine, la pêche commerciale et l’exploration pétrolière en mer.

Les déformations de la Terre

13Un autre domaine auquel les satellites ont apporté des informations majeures est celui du positionnement précis de points à la surface terrestre. Il y a trente ans, on savait positionner un point à la surface de la Terre à un mètre près ; aujourd’hui, c’est à quelques millimètres près. Ce gain en précision, d’un facteur atteignant presque 1000, a été rendu possible par les progrès de la technologie. Les systèmes de positionnement tels que la télémétrie laser, le GNSS (Global Navigation Satellite System, dont GPS ou Global Positioning System est le plus connu), DORIS (Détermination d’orbite et radiopositionnement intégré par satellite) et l’interférométrie à large base (aussi appelée VLBI ou Very Long Baseline Interferometry) permettent de mesurer de façon très précise la position des stations géodésiques et leurs mouvements à la surface de la Terre, ainsi que l’orientation du repère dans lequel sont estimées ces quantités. De très nombreuses applications scientifiques en découlent : la détermination des dérives des plaques tectoniques, la déformation des continents – tout particulièrement celle des régions tectoniques actives situées aux frontières des plaques –, les mouvements verticaux de la croûte terrestre, les irrégularités de la rotation terrestre et les mouvements de l’axe des pôles. Aujourd’hui, ces phénomènes s’appuient presque exclusivement sur l’observation spatiale et l’infrastructure au sol qui lui est associée (les réseaux de stations).

14Au milieu des années 1990, les géodésiens ont déterminé pour la première fois les vitesses horizontales des stations géodésiques – stations de télémétrie laser, DORIS, GPS et VLBI – situées loin des frontières des plaques. Ces mesures représentatives du mouvement actuel des plaques avaient montré dans un premier temps un très bon accord avec les modèles géologiques de la tectonique des plaques, suggérant que les vitesses actuelles des plaques sont identiques à celles des derniers millions d’années – confirmant la théorie de la tectonique des plaques et l’hypothèse de rigidité à grande échelle.

15Toutefois, des résultats récents, plus précis, utilisant les quatre techniques de positionnement spatial – télémétrie laser, GPS, DORIS et VLBI – indiquent un ralentissement du mouvement de certaines plaques par rapport aux mouvements géologiques moyens des trois derniers millions d’années, en particulier des plaques indienne, arabique et nubienne. Ce résultat, obtenu grâce à l’amélioration des techniques de positionnement précis, a des implications importantes sur le mécanisme moteur des plaques et les forces à l’origine de ces mouvements.

  • 4 D. Massonnet et al., « The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferome (...)

16Une autre technique s’est avérée révolutionnaire pour l’étude des déformations de la surface terrestre : il s’agit de l’interférométrie radar. En comparant deux images radar d’une région survolée à deux dates différentes par un satellite radar imageur, il est possible de détecter les déformations du sol survenues dans l’intervalle de temps, avec une résolution au sol de l’ordre de 10 mètres et une précision locale de l’ordre du millimètre. Pour cela, on analyse les différences de phase des deux images – la phase étant en effet un paramètre spécifique à l’imagerie radar qui fournit une information sur la distance satellite-sol et donc sur les déformations du sol. Les chercheurs français ont joué un rôle pionnier dans ce domaine4. L’interférométrie radar est maintenant combinée au positionnement GPS dans la plupart des régions sismiques du globe pour mesurer les déformations co-, post- et inter-sismiques. Ces observations sont précieuses pour comprendre les caractéristiques de la mécanique de la croûte terrestre lors des tremblements de terre. On les utilise aussi pour mesurer les déformations du sol dans les régions volcaniques, l’écoulement des glaciers, les glissements de terrain et les subsidences du sol dues au pompage de l’eau, du pétrole ou du gaz.

17Longtemps déterminés par les observations astronomiques, les paramètres de la rotation terrestre (vitesse angulaire et position de l’axe de rotation) sont aujourd’hui exclusivement mesurés par les systèmes de positionnement spatial, bien plus précis. Les irrégularités de la durée du jour se manifestent sur des échelles de temps de quelques jours à plusieurs décennies (et même sans doute plusieurs siècles), et sont principalement dues à des transferts de moment cinétique entre les enveloppes fluides de surface (atmosphère et Océan) et le globe solide. Il existe aussi une composante séculaire due au frottement des marées qui allonge la durée du jour de 2 millisecondes par siècle et la distance Terre-Lune de 3,8 centimètres par an. L’axe de rotation de la Terre n’est lui-même pas fixe par rapport à la Terre. Son déplacement à la surface du globe, appelé mouvement du pôle, s’inscrit dans un domaine d’environ 20 mètres de rayon et présente trois composantes majeures : l’oscillation de Chandler, qui correspond à une période d’environ quatorze mois, une oscillation annuelle et une dérive séculaire dirigée vers l’Amérique du Nord.

18Les valeurs précises des paramètres de rotation terrestre ainsi que des positions et vitesses des stations géodésiques permettent de définir le repère international de référence terrestre (ITRF ou International Terrestrial Reference Frame). Celui-ci est recalculé à intervalles réguliers (tous les 3 à 4 ans) par combinaison des solutions issues des quatre techniques géodésiques (télémétrie laser, GPS, DORIS et VLBI) fournies par différents groupes d’analyse dans le monde. L’ITRF consiste en un jeu de positions et vitesses de plusieurs centaines de stations ainsi que des paramètres de rotation terrestre à une époque donnée. Il fournit aussi les mouvements du centre des masses de la Terre et un facteur d’échelle. Les produits de l’ITRF ont des applications directes variées : orbitographie des satellites, navigation terrestre, marine et interplanétaire, positionnement de points à la surface terrestre, observation astronomique, étude des causes des irrégularités de la rotation de la Terre, structure interne de la Terre, tectonique des plaques, surveillance des zones sismiques actives, hausse du niveau de la mer, etc. Ainsi, les produits de l’ITRF se retrouvent dans la vie de tous les jours, à travers l’usage généralisé du positionnement GPS, dont la précision repose en grande partie sur la qualité de l’orbitographie des satellites de navigation.

La dynamique de l’Océan

19L’océan est une composante importante de notre planète, aux multiples enjeux : économiques, écologiques, militaires mais aussi scientifiques.

20L’océan est le siège de mouvements complexes à grandes et petites échelles spatiales, agissant sur des échelles de temps variées. Les phénomènes océaniques à grande échelle, se manifestant sur des échelles de temps de quelques mois à plusieurs années, caractérisent le climat de l’Océan. En raison de sa grande capacité à accumuler la chaleur et à la transporter sur de grandes distances au moyen d’une circulation océanique complexe, l’océan joue un rôle majeur dans le système climatique. Les phénomènes de petite échelle et de courte durée, comme les tourbillons ou la hauteur des vagues, définissent la météo de l’Océan, par analogie avec ce qui se passe dans l’atmosphère. Les satellites permettent de suivre la totalité de ces mouvements, de façon globale et précise, avec des mesures continues ou fréquemment répétées. Ils renseignent aussi sur la température de la surface des océans ainsi que sur d’autres phénomènes, par exemple l’activité biologique des eaux superficielles.

21L’altimétrie par satellite est aujourd’hui l’un des outils les plus précieux pour étudier les océans. Cette technique permet de mesurer avec une précision remarquable (environ 1-2 cm pour une mesure instantanée) la hauteur de la surface de la mer par rapport à une référence fixe liée à la Terre, ainsi que ses variations temporelles. Bien qu’elle ait été développée dès les années 1970, ce n’est qu’au début des années 1990, avec le lancement du satellite altimétrique franco-américain Topex/Poséidon, que l’océanographie spatiale a réellement pris son essor. Il a fallu en effet attendre presque vingt ans pour que la mesure de la topographie de la surface de la mer devienne suffisamment précise pour analyser le signal océanographique. Ce signal est en effet dix à cent fois plus faible que celui des ondulations permanentes de la surface marine évoquées plus haut.

  • 5 Équilibre entre la force de Coriolis et le gradient de pression agissant sur un volume d’eau élémen (...)

22La connaissance de la topographie de la surface océanique au-dessus du géoïde permet de calculer la vitesse et la direction des courants de surface ; en raison de l’équilibre géostrophique5, les composantes de la vitesse du courant sont proportionnelles à la pente locale de la surface instantanée de la mer. Il s’agit d’une information fondamentale permettant de déduire par modélisation les courants profonds, autrement inaccessibles globalement.

23Grâce à l’altimétrie, on a découvert que l’océan – tout comme l’atmosphère – est un système hautement turbulent. Il est le siège de tourbillons très énergétiques de petites longueurs d’ondes et de courte durée de vie. La description fine de cette circulation turbulente, aujourd’hui possible avec l’altimétrie, est essentielle pour comprendre la dynamique de l’océan, y compris la circulation à grande échelle avec laquelle elle interagit. C’est aussi très important pour les applications opérationnelles de l’océanographie.

24L’altimétrie spatiale a également permis de décrire les grandes perturbations du système climatique comme le phénomène El Niño, qui survient tous les 4 ou 5 ans dans l’océan Pacifique tropical. Ce courant, associé à des transferts d’énergie thermique considérables entre l’océan et l’atmosphère, transporte les eaux chaudes de l’ouest vers l’est le long de l’équateur. Il cause des anomalies climatiques de grande envergure et de grande intensité : sécheresse dans le Pacifique ouest et particulièrement sur l’Indonésie, la Nouvelle-Guinée et le Nord de l’Australie ; précipitations catastrophiques sur toute la bordure ouest du continent américain. Les répercussions climatiques d’El Niño (et de La Niña, courant froid se développant certaines années dans le Pacifique tropical) affectent la planète tout entière par le biais de téléconnexions atmosphériques. Plusieurs « El Niño » ont été observés par les satellites altimétriques depuis vingt ans, dont l’intense événement de 1997-1998. Ces observations ont permis de décrire avec une grande précision la genèse du phénomène, son évolution et son déclin, et ainsi de mieux comprendre les mécanismes en jeu. Ceci est un préalable essentiel au développement de modèles réalistes destinés à la prédiction d’El Niño quelques mois à l’avance en vue d’anticiper ses impacts négatifs sur le climat et l’économie.

  • 6 Avec le développement du service de prévision océanique Mercator.

25Depuis près de quinze ans, l’observation spatiale des océans, en particulier l’altimétrie de haute précision, contribue aussi au développement de l’océanographie « opérationnelle ». Comme pour la prévision météorologique, les mesures par satellite sont utilisées en routine, avec les mesures in situ, dans les modèles opérationnels de prévision de l’état de l’océan. La France a également joué un rôle pionnier dans ce domaine6. La connaissance de l’état de l’océan (vitesse des courants, température, salinité, etc.) en surface et en profondeur, jusqu’à deux semaines à l’avance, a des applications dans de nombreux domaines : la navigation civile, la pêche commerciale, le suivi des pollutions, les aménagements côtiers, l’exploration pétrolière offshore et la défense.

Niveau de la mer et climat

26L’élévation actuelle du niveau moyen de la mer est une importante conséquence du réchauffement climatique observé depuis quelques décennies. Alors que l’élévation de la mer est restée modeste au cours du xxe siècle (de l’ordre de 17 cm en moyenne depuis 1900), on s’attend à une hausse substantielle au cours des prochaines décennies (entre 50 cm et 1 m au-dessus du niveau actuel à la fin du siècle) en raison de la fonte accrue des glaces continentales et de la poursuite du réchauffement de l’océan.

27Lors du dernier maximum glaciaire, il y a 20 000 ans, le niveau de la mer était environ 130 mètres plus bas qu’aujourd’hui car l’eau des océans était emprisonnée dans les grandes calottes de glaces recouvrant le Nord de l’Amérique et de l’Europe. Lorsque la glaciation a pris fin, les glaces ont fondu et le niveau de la mer est remonté, puis s’est stabilisé il y a 3 000 ans environ. Depuis cette date, le niveau de la mer a peu varié (avec une hausse inférieure à 0,5 mm par an). Mais vers la fin du xixe siècle, la mer a commencé à remonter, comme en témoignent les enregistrements marégraphiques disponibles depuis cette époque. Bien qu’ils soient peu nombreux et mal répartis sur la planète, ces marégraphes historiques nous indiquent que depuis un siècle la mer a monté globalement à une vitesse moyenne de 1,7 mm/an.

28Depuis le début des années 1990, on mesure en routine la hausse de la mer depuis l’espace, grâce aux satellites altimétriques Topex/Poséidon, ses successeurs Jason-1 et Jason-2, ERS-1/2 et Envisat. Il y a deux avantages majeurs à cela : l’altimétrie observe l’ensemble du domaine océanique – contrairement aux marégraphes – et fournit une mesure du niveau « absolu » de la mer par rapport à une référence fixe (sans contamination par les mouvements de la croûte). On dispose aujourd’hui d’une série d’observations longue de vingt ans. Elle indique une hausse du niveau moyen global de la mer de plus de 3,2 mm/an depuis 1993, valeur quasi double de celle mesurée durant les décennies précédentes.

29Grâce à leur couverture globale des océans, les satellites altimétriques ont aussi révélé que la mer ne monte pas de manière uniforme : dans certaines régions comme le Pacifique de l’Ouest, la hausse du niveau de la mer a été trois fois plus rapide que la hausse moyenne.

  • 7 Par exemple, A. Cazenave et W. Llovel, « Contemporary sea level rise », Annual Review of Marine Sci (...)

30Comme cela a été montré par de nombreux travaux récents7, l’élévation actuelle du niveau de la mer est une conséquence directe du réchauffement climatique et résulte de deux causes principales :

  • l’augmentation de la température des océans et l’expansion thermique associée (lorsque la température augmente, l’eau de mer se dilate et le niveau de l’océan s’élève) ;

  • la fonte des glaces continentales (les apports d’eau douce dans la mer causés par la fonte des glaces font monter son niveau).

L’océan se réchauffe

31Grâce à des mesures de température de la mer collectées au cours des 5-6 dernières décennies sur les 1000-2000 premiers mètres de l’océan, à partir de navires et de bouées océanographiques, les océanographes ont observé que l’océan s’était réchauffé de façon importante sur cette période.

32L’océan constitue un énorme réservoir de chaleur en raison de sa masse et de la valeur élevée de la capacité calorifique de l’eau. À élévation de température équivalente, il est en théorie 1200 fois plus efficace que l’atmosphère ! Le réchauffement récent de l’océan provient du chauffage direct par l’énergie solaire et des échanges de chaleur avec l’atmosphère. Il affecte principalement les couches superficielles de l’océan (les 500 premiers mètres) mais dans certaines régions s’étend dans les couches plus profondes. Les courants océaniques transportent la chaleur d’une région à une autre et de la surface vers l’océan profond à des vitesses lentes, donc sur des échelles de temps longues en comparaison du transport atmosphérique. C’est pour cette raison que l’océan est appelé le « régulateur thermique » du système climatique. L’analyse des mesures de température de l’océan mondial a montré que 90 % de la chaleur excédentaire accumulée dans le système climatique depuis cinquante ans était stockée dans l’océan (15 à 20 fois plus que dans la basse atmosphère et sur les terres émergées). Ces mesures de température de l’océan – aujourd’hui jusqu’à 2000 m de profondeur grâce aux flotteurs automatiques du système international Argo – permettent d’estimer la contribution de l’expansion thermique de l’océan à la hausse du niveau de la mer. On estime que sur la période altimétrique (depuis 1993), cette contribution est de l’ordre de 30 %.

33Les observations de la température de la mer montrent aussi que le réchauffement de l’océan, et donc l’expansion thermique, n’est pas géographiquement uniforme. La variabilité régionale de l’expansion thermique apparaît très similaire à celle des vitesses de niveau de mer cartographiée par altimétrie spatiale : les régions océaniques stockant plus de chaleur correspondent aux régions où la hausse du niveau de la mer est plus rapide, et inversement. La variabilité régionale de l’expansion thermique résulte en partie des modalités complexes du transport de la chaleur par la circulation océanique et des interactions avec l’atmosphère.

Les glaces fondent

  • 8 É. Berthier et C. Vincent, « Relative contribution of surface mass-balance and ice-flux changes to (...)

34Depuis quelques décennies, on observe un recul général des glaciers de montagne. Ce phénomène est attribué au réchauffement global que connaît actuellement la planète. À cause de leurs dimensions limitées, les glaciers répondent rapidement à l’élévation de la température de l’air : ils s’amincissent et leur longueur diminue. Des travaux fondés sur des mesures géodésiques et des images satellitaires montrent par exemple que les glaciers du massif du Mont-Blanc ont perdu dans leur partie la plus basse plus de 50 mètres d’épaisseur ces trente dernières années8. Cette fonte des glaces augmente le ruissellement dans les réseaux hydrographiques. In fine, l’eau de fonte s’écoule dans la mer et fait monter son niveau. Grâce aux nombreuses observations réalisées sur les plus grands glaciers du monde (Alaska, Patagonie, Himalaya, etc.), on estime que les glaciers de montagne contribuent pour environ 30 % à la hausse du niveau de la mer des vingt dernières années.

35Si elles fondaient totalement, les glaces stockées actuellement dans les calottes du Groenland et de l’Antarctique de l’Ouest (la partie la plus instable de ce continent) feraient monter le niveau de la mer de 7 mètres et 3 mètres respectivement. Bien qu’une telle perspective ne soit pas d’actualité, il est bon de rappeler quelques chiffres : les observations paléo-climatiques indiquent que lors du précédent interglaciaire, il y a 125 000 ans, la température était en moyenne de 1,5°C à 2,5°C supérieure au présent (à cause des paramètres orbitaux de la Terre autour du Soleil légèrement différents des valeurs actuelles) et le niveau de la mer supérieur de 4 à 6 mètres par rapport à aujourd’hui. L’essentiel de cette élévation est attribué à une fonte importante de la calotte groenlandaise, avec une petite contribution de l’Antarctique. Même si le dernier interglaciaire n’est pas un analogue parfait du climat du futur, il est légitime de s’inquiéter des conséquences attendues du réchauffement climatique sur les calottes polaires.

  • 9 Lancée en 2002, GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), lancée en 2002, est une mission dé (...)

36Mais qu’en est-il à présent ? Grâce aux satellites, on mesure depuis deux décennies les variations de la masse du Groenland et de l’Antarctique. L’altimétrie spatiale permet de mesurer les variations d’altitude des calottes, donc d’en déduire la variation de leur masse. Avec la technique d’interférométrie radar, on peut estimer la vitesse d’écoulement des glaciers côtiers vers la mer, et par conséquent la quantité de glace déversée dans l’océan sous forme d’icebergs. En la combinant à des mesures de bilan de masse en surface (précipitations neigeuses versus fonte en surface), on en déduit le bilan de masse total. Enfin, depuis 2002, une technique innovante, la gravimétrie spatiale9, permet de mesurer directement les variations de la masse de glace des calottes.

37La synthèse de ces observations, qui concordent quel que soit le type de mesure, indique une perte de masse très marquée dans les régions côtières sud et ouest du Groenland, de l’ordre de 200 milliards de tonnes de glace par an sur la dernière décennie (avec une nette accélération au cours des années récentes). Ces observations révèlent aussi une perte importante de masse de glace en Antarctique de l’Ouest, en particulier dans le secteur de la mer d’Amundsen. La contribution des calottes polaires à la hausse du niveau de la mer des vingt dernières années est de l’ordre de 20-25 % en moyenne mais va clairement en augmentant. Grâce aux satellites, on a en effet observé au Groenland et en Antarctique de l’Ouest une accélération marquée de l’écoulement de certains glaciers côtiers vers la mer. Les mécanismes à l’origine de ce phénomène commencent à être entrevus et semblent être liés au réchauffement des eaux océaniques périphériques. Les eaux chaudes créent un amincissement de l’avant du glacier, ou de la plateforme de glace en Antarctique, qui devient instable. La dynamique des calottes polaires est complexe et encore mal comprise. On ne peut encore dire si les phénomènes observés depuis quelques années vont se stabiliser ou au contraire s’emballer. Le suivi depuis l’espace du comportement des calottes polaires est donc un objectif majeur.

38Pour prévoir l’évolution future du niveau de la mer – comme pour les autres paramètres climatiques –, il faut utiliser des modèles qui simulent l’évolution future du climat en fonction de différents scénarios d’émissions futures de gaz à effet de serre ou de forçage radiatif. Dans le rapport du GIEC (Groupe intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat) publié en 2007, la hausse du niveau de la mer vers 2100 était estimée à 40 +/−20 cm par rapport au niveau actuel10. La fourchette de +/−20 cm résulte d’une part des différences entre les modèles, et d’autre part de l’incertitude sur les scénarios d’émissions futures des gaz à effet de serre (donc sur le réchauffement). On pense aujourd’hui que cette valeur sous-estime la hausse future du niveau de la mer car elle se fonde seulement sur le réchauffement de l’océan, la fonte des glaciers de montagne et la variation de masse de surface des calottes (différence entre précipitations neigeuses et fonte en surface) ; l’écoulement rapide des glaciers côtiers vers la mer – mis en évidence récemment le long des côtes du Groenland et de l’Antarctique de l’Ouest – n’ayant pas encore été pris en compte dans les calculs. Depuis la publication du rapport du GIEC en 2007, de nombreux efforts nationaux et internationaux ont été développés pour modéliser ces phénomènes. Les projections disponibles aujourd’hui, incluant la dynamique des glaces polaires, révisent à la hausse l’élévation du niveau moyen global de la mer pour la fin de ce siècle11.

39Tout comme actuellement, la hausse future de la mer ne sera pas uniforme. Outre l’expansion thermique des océans et les variations de salinité dues à la fonte des glaces, d’autres phénomènes liés à la déformation des bassins océaniques en réponse aux redistributions des masses de glace et d’eau contribueront à cette variabilité régionale. Dans certaines régions, la hausse du niveau de la mer pourra être amplifiée de 40 % à 50 % par rapport à la hausse moyenne.

40La hausse du niveau de la mer constitue une menace inquiétante pour de nombreuses régions côtières basses, souvent très peuplées, de la planète. À la hausse liée au réchauffement climatique et à son importante variabilité régionale s’ajoutent d’autres phénomènes, non climatiques, comme l’enfoncement du sol dû à des phénomènes naturels (par exemple la charge des sédiments dans les deltas des grands fleuves), ou d’origine anthropique (par exemple le pompage des eaux souterraines pour l’agriculture ou l’extraction de gaz et de pétrole). Ainsi, l’exploration pétrolière dans le golfe du Mexique est responsable d’un enfoncement du sol de près de 10 mm par an – mesuré par les techniques de positionnement précis comme GPS –, qui se combine avec la hausse actuelle du niveau de la mer d’origine climatique. Dans le delta du Mississippi, le déclin des apports sédimentaires à la côte, causés par la construction de barrages sur le fleuve, vient encore augmenter la vulnérabilité de cette région déjà affectée par la subsidence du sol et la hausse de la mer. De nombreuses autres régions côtières du monde sont également fragilisées par des phénomènes analogues. Des grandes mégapoles côtières comme Tokyo ou Shanghai se sont enfoncées de plusieurs mètres au cours des dernières décennies suite au pompage des eaux souterraines. Entre 30 % et 50 % de la population mondiale vit aujourd’hui dans des régions côtières dont l’altitude ne dépasse pas 100 mètres au-dessus du niveau actuel de la mer. Certaines populations sont déjà soumises à un stress récurrent (inondations catastrophiques en liaison avec des événements météorologiques extrêmes, enfoncement du sol, etc.). La hausse attendue du niveau de la mer dans le futur constitue pour ces régions un facteur aggravant si l’on évoque quelques-unes des conséquences prévisibles de la montée des eaux : érosion du littoral, salinisation des aquifères côtiers, disparition des zones humides, inondations permanentes.

41Le niveau de la mer continuera à monter pendant très longtemps (plusieurs siècles), même dans l’hypothèse improbable d’une stabilisation des concentrations de gaz à effet de serre dans l’atmosphère au cours des prochaines décennies.

Les eaux continentales

42L’océan n’est qu’une composante du cycle global de l’eau qui affecte aussi l’atmosphère et les surfaces continentales. L’eau sur Terre est continuellement recyclée par les précipitations, l’évaporation et l’écoulement vers la mer. La description précise du cycle de l’eau, en particulier sur les terres émergées, est une composante fondamentale de la prévision climatique et d’une gestion efficace des ressources en eau pour l’irrigation, la consommation domestique, l’industrie et la production d’énergie hydro-électrique. D’autres applications concernent la prévision des inondations et des sécheresses, la navigation fluviale, etc.

43Pour décrire et comprendre le bilan d’eau dans les bassins fluviaux et ses variations spatio-temporelles en réponse à la variabilité climatique et au forçage anthropique, deux approches sont développées en synergie : l’observation des paramètres hydrologiques et la modélisation. Depuis environ deux décennies, des modèles hydrologiques régionaux et globaux ont été développés pour étudier, à l’échelle des bassins versants, les échanges de masse et d’énergie à l’interface sol-atmosphère, ainsi que les flux et stocks d’eau dans les différents réservoirs du sol et le transfert de l’eau dans les réseaux hydrographiques. La modélisation est en effet essentielle pour comprendre les processus physiques, chimiques et biologiques à l’œuvre dans le cycle de l’eau et pour prédire l’évolution future des flux et des stocks d’eau. Mais pour fonctionner et être validés, les modèles ont besoin de données.

44Alors que la demande en information sur les eaux continentales augmente, tant au niveau global que régional, la disponibilité des données associées tend à se réduire aussi bien dans les pays développés que dans les pays du Sud. En ce qui concerne les eaux de surface (fleuves, lacs, réservoirs), la surveillance in situ s’appuie actuellement sur des réseaux de stations hydrologiques distribuées au sein des bassins versants. Or, si l’efficacité et la précision du suivi dépend directement de la quantité de mesures collectées, en pratique l’importance des coûts d’installation, d’entretien et de gestion de ces réseaux conduit souvent à limiter le nombre de stations. En outre, lorsque l’information existe, l’accès aux données est parfois difficile. D’une part, les informations sur les ressources en eau représentent pour certaines nations des enjeux de sécurité nationale. D’autre part, elles ont souvent une valeur commerciale – dans de nombreux pays, les réseaux de mesure sont en partie financés par la vente des données associées –, ce qui les rend plus difficiles d’accès pour la recherche. Enfin, les réseaux de mesure in situ suivent les cours principaux des cours d’eau, ce qui ne permet pas d’étudier les zones inondées adjacentes dont le rôle est pourtant important sur le bilan d’eau. En ce qui concerne l’humidité des sols et les eaux souterraines, les données in situ sont extrêmement limitées, voire inexistantes dans la plupart des régions du globe. Ainsi, la limitation actuelle des données hydrologiques in situ, voire leur inaccessibilité, accentuent la nécessité de développer des systèmes de mesure depuis l’espace.

45Depuis quelques années, plusieurs techniques spatiales de télédétection (imagerie visible, radar, radiométrie, altimétrie, gravimétrie, etc.) apportent des informations majeures sur les variations spatio-temporelles de nombreux paramètres hydrologiques : précipitations, humidité des sols, extension et épaisseur du manteau neigeux, distribution des plaines inondées, variations des masses d’eau dans les grands bassins fluviaux, niveaux d’eau des fleuves, lacs et plaines inondées, etc.

46L’humidité superficielle des sols est mesurée depuis l’espace grâce à des techniques micro-ondes. Ces techniques exploitent la relation entre le contenu en eau superficiel et la constante diélectrique des sols. Bien que développés pour mesurer la vitesse du vent au-dessus des océans, les diffusiomètres embarqués sont exploités en routine depuis une vingtaine d’années pour fournir des archives globales d’humidité des sols. Toutefois, la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) lancée en 2009 par l’Agence spatiale européenne est la première mission dédiée à la mesure précise et globale de l’humidité des sols.

47Lancée en mars 2002, la mission de gravimétrie spatiale GRACE fournit pour la première fois un suivi à l’échelle globale des redistributions de masses d’eau dans les bassins fluviaux. GRACE mesure les variations spatio-temporelles du stock d’eau intégré vertical sans distinction du compartiment du sol (réservoirs de surface, zone racinaire, nappes souterraines, manteau neigeux). Il s’agit d’une information totalement nouvelle, inaccessible à partir du sol. Combinées aux composantes « eaux de surface » et « humidité des sols », estimées soit à partir d’observations soit à partir des sorties de modèles hydrologiques, les mesures de GRACE permettent d’estimer la composante « eaux souterraines des aquifères », quasi inconnue à l’échelle planétaire. En tant que formations géologiques perméables plus ou moins profondes permettant le stockage et l’écoulement des eaux souterraines, les aquifères jouent un rôle majeur dans le cycle de l’eau. Ils représentent aussi la plus importante réserve d’eau douce (96 %) exploitable par l’homme pour des usages tels que l’agriculture, l’industrie ou les besoins domestiques. Les mesures in situ ne sont aujourd’hui pas suffisamment denses pour un suivi efficace des stocks d’eau profonde, et la modélisation reste un outil difficile à manier compte tenu des nombreuses incertitudes liées à la complexité hydrogéologique des aquifères, des caractéristiques des sols ou encore des facteurs anthropiques mal connus, notamment les quantités d’eau prélevées pour l’irrigation. L’observation des eaux souterraines depuis l’espace à l’échelle planétaire est donc aujourd’hui un outil de première importance pour la gestion des ressources en eau dans le contexte du changement climatique et de l’augmentation des pressions anthropiques. Des résultats très spectaculaires issus de la mission spatiale GRACE ont été obtenus par différentes équipes dans le monde, en particulier dans la vallée du Gange, une région où les prélèvements d’eau dans les nappes pour les besoins de l’irrigation ont atteint des niveaux considérables.

48Bien qu’elle ait été développée pour étudier la surface des océans, l’altimétrie spatiale est utilisée depuis plus d’une décennie pour mesurer les niveaux d’eau des lacs, des grands fleuves de la planète et des plaines inondées. Utilisée en synergie avec l’imagerie satellitaire, l’altimétrie permet aussi de mesurer les variations des volumes d’eau des lacs et des plaines inondées. Sous certaines conditions, on peut aussi déduire les débits des fleuves à partir des niveaux d’eau.

49Pour de nombreuses applications hydrologiques, l’altimétrie actuelle – observant seulement au nadir – présente des inconvénients majeurs : résolution et couverture insuffisante, interprétation difficile de l’écho radar sur les cours d’eau de petite largeur, perturbations dues aux berges et à la végétation, etc. Ces limitations ont conduit récemment les agences spatiales française et américaine à développer une nouvelle mission SWOT (Surface Waters Ocean Topography) basée sur un nouveau concept instrumental : l’altimétrie interférométrique à large fauchée, capable de fournir des hauteurs d’eau de précision centimétrique, les pentes des plans d’eau et leur largeur, avec une résolution spatiale de l’ordre de 50 mètres sur tout le domaine continental. La mission SWOT, dont le lancement est prévu en 2020, permettra de suivre les niveaux d’eau sur la majeure partie des lacs, des cours d’eau et des plaines inondées du monde, de mesurer les volumes d’eau de surface et les débits des fleuves, avec une couverture globale, une très haute résolution, une précision inégalée et une périodicité de quelques jours. Les applications de cette mission sont vastes : prédiction des crues, gestion des eaux de surface pour la consommation, l’irrigation, la navigation fluviale, la production d’énergie hydro-électrique, etc.

50Avec la qualité de l’eau, la gestion des ressources hydriques au xxie siècle constitue l’un des problèmes majeurs des sociétés humaines. La population mondiale croît à un rythme sans précédent : de 7 milliards en 2010, le nombre d’humains devrait approcher 9 milliards en 2050. 70 % des eaux prélevées par l’homme sont utilisées pour l’agriculture, le reste pour l’industrie et les besoins domestiques. Si l’eau est abondante, elle est extrêmement mal répartie. Par exemple l’Asie, qui représente 61 % de la population mondiale, ne dispose que de 36 % des ressources. À l’inverse, l’Amérique du Sud, où vivent 6 % des humains, contient 26 % des ressources. La zone méditerranéenne, les pays du Sahel et du Moyen-Orient sont régulièrement confrontés à la pénurie d’eau, situation qui pourrait s’aggraver au cours des prochaines décennies car avec le réchauffement climatique, les régions sèches devraient devenir encore plus arides. Mais le climat n’explique pas tout : l’augmentation de la démographie, le recours croissant à l’irrigation, le pompage excessif de l’eau dans les nappes – ressource non renouvelable – et la construction de barrages-réservoirs conduisent dans nombre de régions à une rareté croissante de l’eau, qui est potentiellement source de conflits, voire de « guerres de l’eau ». L’eau est un bien stratégique, enjeu de puissance et source de tension. Connaître comment ont évolué les ressources en eau dans telle ou telle région au cours des dernières décennies et comment elles évolueront dans le futur sous l’effet du changement climatique et de la pression anthropique constitue un défi de toute première importance pour lequel la communauté scientifique – avec ses moyens – se mobilise de plus en plus.

L’observation des terres émergées

51Comme nous l’avons illustré jusqu’ici, les mesures réalisées à partir d’instruments embarqués sur satellite et l’analyse des orbites de ces derniers ont fourni quantité d’informations sur le fonctionnement du système Terre. Mais l’observation de la Terre depuis l’espace, c’est aussi la collecte d’images dans différents domaines de longueurs d’onde (visible, infrarouge, micro-ondes). Nous sommes tous habitués à voir régulièrement des images de la Terre prises par les satellites météorologiques. Ces images, ainsi que nombre d’autres observations réalisées depuis l’espace, le sol et au sein même de l’atmosphère, alimentent des modèles grâce auxquels les météorologues peuvent prédire le temps qu’il fera. Mais de nombreux autres domaines relatifs à l’environnement terrestre bénéficient aussi de l’imagerie satellitaire : par exemple la surveillance des risques naturels, de l’étendue et de l’état des forêts, de l’occupation des sols, le suivi des cultures agricoles, des pollutions et bien sûr la défense nationale. L’imagerie spatiale – que l’on qualifie souvent de télédétection spatiale – a pour principale caractéristique de décrire à distance les propriétés de divers « objets » de la surface terrestre par leurs comportements spectraux (rayonnement émis et réfléchi, couleur) et leurs distributions dans l’espace terrestre à l’aide de mesures spécifiques effectuées à distance.

52La source d’énergie « éclaire » une portion de la surface terrestre, qui réfléchit vers le satellite l’onde reçue. Si la source d’énergie est le Soleil, on parle de télédétection optique (domaine visible et proche infrarouge). Si le rayonnement électromagnétique est émis depuis le satellite grâce à une antenne qui mesure aussi le rayonnement rétrodiffusé associé, la télédétection est qualifiée d’active. Cette dernière est particulièrement appliquée dans le domaine des micro-ondes (l’instrument est alors un radar). La télédétection radar a pour particularité de fonctionner nuit et jour et permet de « voir » à travers les nuages, ce qui est particulièrement intéressant pour observer les régions équatoriales. Un autre type de télédétection active est le lidar (light detection and ranging). Dans ce cas, le rayonnement émis est optique ; on utilise des lasers comme source d’émission.

53Enfin, on mesure aussi le rayonnement directement émis par la surface terrestre dans le domaine infrarouge (le rayonnement de corps noir de la surface dû à sa température propre).

54Les interactions entre le rayonnement et la cible permettent de caractériser les propriétés de la cible grâce à sa signature spectrale. Le rayonnement réfléchi (ou émis) mesuré au niveau d’un capteur est converti en grandeurs (indices) ayant une signification dans le domaine de l’environnement. L’estimation de ces indices (indices de végétation, indices de sol, indices de la colonne d’eau, etc.) nécessite une approche empirique fondée sur des données expérimentales. Par exemple, des indices de végétation, on peut déduire des informations sur le type de couvert végétal, la biomasse, la surface foliaire, l’anatomie, la teneur en pigments, la structure cellulaire et l’état physiologique des feuilles, la teneur en eau et la phase de croissance de la végétation. La signature spectrale des sols permet de connaître la composition minérale et organique des sols, leur rugosité et leur contenu en eau. L’utilisation de plusieurs bandes spectrales permet d’accroître l’information en exploitant le fait que les caractéristiques de la cible varient selon la longueur d’onde. Enfin, en comparant des images espacées dans le temps, on peut aussi déceler des évolutions d’origine naturelle ou anthropique : par exemple le déboisement, la dégradation des forêts, les changements de pratiques agricoles, l’extension urbaine, etc.

55Les tout premiers satellites imageurs dans le visible, dits « optiques », ont été lancés par les Américains au début des années 1970 – Landsat-1 en 1972, résolution 80 m, suivi d’une longue série avec des performances sans cesse améliorées. Depuis plus de vingt-cinq ans, la France s’est illustrée avec la famille des satellites imageurs SPOT et aujourd’hui Pléiades. De résolution décamétrique au début, l’imagerie optique a aujourd’hui une résolution submétrique. De nombreuses missions d’observation dans le domaine des micro-ondes radar ont aussi été développées par différentes agences spatiales, par exemple en Europe, au Japon, au Canada. Enfin, des instruments « multispectraux » permettant d’étudier les surfaces sur une vaste gamme de fréquences ont aussi été embarqués sur de nombreux satellites. Chaque domaine de fréquence fournit des informations différentes, et selon les applications envisagées, on préférera soit l’imagerie optique, soit l’imagerie radar.

56Les applications de la télédétection sont extrêmement vastes. Outre la météorologie, on peut citer :

  • L’aménagement du territoire et les études urbaines : occupation du sol, études d’impact sur l’environnement, suivi de l’urbanisation.

  • La cartographie (en particulier aux échelles inférieures au 1/100 000) et la mesure de la topographie (par stéréoscopie).

  • La gestion des forêts : détermination des surfaces forestières et des peuplements, gestion forestière, estimation des dégâts d’intempéries (incendies, tempêtes, ouragans), aménagement et surveillance des sites protégés.

  • L’agriculture : classification des types de cultures et de sol, évaluation de la santé des cultures, estimation et optimisation de la production des récoltes, surveillance de la conformité aux lois et traités.

  • Le suivi des catastrophes naturelles et industrielles : mise à jour des plans de prévention des risques, localisation rapide des zones affectées et cartographie des dégâts, amélioration des modèles de prévision et de simulation des phénomènes à risques.

  • L’archéologie ; la géologie (détection de failles) ; la glaciologie.

  • La couleur de l’océan : suivi des écosystèmes marins.

  • La surveillance maritime : contrôle des activités de pêche et du trafic maritime, localisation des nappes de pollution, gestion de l’environnement côtier et océanique.

  • La défense : surveillance et renseignement. On peut rappeler que dans ce domaine comme dans d’autres – positionnement GPS, altimétrie à très haute résolution, etc. –, le besoin militaire a fait progresser la technologie qui elle-même a donné lieu à des retombées importantes dans le domaine scientifique et sociétal.

57Les applications énumérées ci-dessus sont tellement vastes qu’il est impossible de les détailler toutes. Pour illustrer quelques-uns des apports de la télédétection spatiale à l’étude de l’environnement, j’ai choisi de présenter trois exemples : (1) la biosphère terrestre et le cycle du carbone anthropique ; (2) l’agriculture et l’alimentation ; (3) les catastrophes naturelles et industrielles.

La biosphère terrestre et le cycle du carbone anthropique

58Une importante application de la télédétection est l’étude de la végétation terrestre. Des cartes de plus en plus précises du couvert végétal de l’échelle globale à locale ont été réalisées ces dernières années. Ceci nécessite une chaîne complexe de traitement et d’interprétation des images, notamment le développement de systèmes d’informations géographiques et de méthodes dites « de classification » destinées à transformer la mesure radiométrique (réflectance) associée à un pixel de l’image (intensité et autres caractéristiques du rayonnement réfléchi par un élément de surface) en une information interprétable, comme par exemple la nature de la surface (marécages, champs cultivés, forêts, zone urbanisée, plans d’eau, etc.), le type de végétation ou de cultures. Pour étudier la végétation, un indicateur classiquement utilisé est l’indice de végétation NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), paramètre défini comme la différence normalisée de réflectance dans le proche infrarouge et le rouge. La végétation absorbant plus la lumière rouge que l’infrarouge, une valeur NDVI proche de + 1 traduit la présence de végétaux à forte concentration en chlorophylle.

  • 12 Il s’agit ici du bilan net entre l’extension de la forêt boréale et la régression de la forêt tropi (...)

59L’observation depuis l’espace de la couverture végétale et son évolution est un enjeu majeur pour plusieurs disciplines, notamment la prévision météorologique, l’hydrologie et la recherche sur le climat. Par exemple, la végétation échange de l’eau et de l’énergie avec l’atmosphère, et de ce fait influence les conditions météorologiques, dont les précipitations. La couverture végétale est aussi un bon indicateur des changements globaux (déforestation, désertification, variations de la diversité biologique). Son suivi sur plusieurs décennies permet d’attribuer les changements observés soit à la variabilité climatique naturelle soit aux activités humaines. La forêt couvre 30 % de la surface des terres émergées. Les images satellite ont montré qu’entre 1990 et 2005, la forêt mondiale avait perdu 1,7 % de sa superficie, avec une nette accélération entre 2000 et 2005 par rapport à la décennie précédente12. La diminution de la superficie de la forêt tropicale, essentiellement en Amérique du Sud, en Afrique et en Asie, résulte principalement de la déforestation et de l’expansion de l’agriculture. Ce phénomène a deux impacts sur le climat mondial : (1) en changeant les propriétés réfléchissantes des terres émergées, il modifie l’albédo de la planète ; (2) il a un impact sur le bilan carbone d’origine anthropique.

  • 13 Partie par million en volume.

60La végétation terrestre absorbe en effet le carbone atmosphérique pour sa croissance et, de ce fait, joue un rôle majeur sur le climat. À la fin de l’année 2011, la concentration en CO2 dans l’atmosphère a atteint 391,4 +/– 0,1 ppmv13, valeur à comparer aux 278 ppmv du début de l’ère industrielle (vers 1750). Cette valeur est le résultat des effets combinés des différents puits et sources de carbone liés aux activités humaines ; elle représente donc le bilan net de toutes les contributions > 0 et < 0. La combustion des énergies fossiles et la production de ciment injectent chaque année autour de 9 milliards de tonnes de carbone (ou GtC/gigatonnes de carbone) dans l’atmosphère. En 2011, ce chiffre a atteint 9,5 +/– 0,5 GtC, soit 3 % de plus qu’en 2010. Entre 2002 et 2011, les émissions associées aux énergies fossiles ont été en moyenne de 8,3 +/– 0,4 GtC par an. Sur cette période, l’océan a absorbé en moyenne 2,5 GtC par an, soit 26 % des émissions totales. Ce pompage du carbone atmosphérique par l’océan résulte majoritairement de la dissolution du gaz carbonique dans les eaux superficielles de la mer et, à un moindre degré, de l’activité biologique du phytoplancton. L’augmentation du dioxyde de carbone dissous entraîne une acidification de l’océan. Les mesures du pH des océans – un indicateur de l’acidité – indiquent que, depuis le début de l’ère industrielle, le pH a diminué de 0,1, ce qui correspond à une augmentation d’environ 26 % de la concentration des ions hydrogène dans l’océan. Cette acidification des eaux océaniques devrait se poursuivre au cours des prochaines décennies. Son impact sur les écosystèmes marins est encore mal connu mais fait l’objet actuellement de nombreuses études.

61Les surfaces continentales interviennent à la fois comme source et comme puits dans le bilan carbone anthropique. La déforestation et les changements d’occupation des sols constituent une source de carbone alors que la croissance de la végétation est un puits (via la photosynthèse). La télédétection spatiale peut en principe apporter des informations importantes sur ces sources et puits de carbone. L’estimation du déstockage du carbone vers l’atmosphère dû à la déforestation et au changement d’occupation des sols est aujourd’hui largement fondée sur la télédétection spatiale. En particulier depuis 1997, les feux de forêts liés à la déforestation sont observés depuis l’espace et sont utilisés comme information pour quantifier la source de CO2 liée au changement d’occupation des sols. Pour 2011, cette contribution > 0 au bilan carbone est estimée à 0,9 +/– 0,5 GtC et à 1 +/– 0,5 GtC/an pour 2002-2011. L’incertitude associée est grande, de l’ordre de 50 %. Par ailleurs, le puits de carbone lié à la croissance de la végétation n’est pas connu directement, mais seulement estimé par simple différence entre les sources et le puits océanique. Une mesure directe de cette contribution par télédétection radar est toutefois envisageable dans le futur grâce à la mission BIOMASS développée par l’Agence spatiale européenne. Cette mission, qui vient tout juste d’être décidée, fournira une cartographie globale de la biomasse terrestre et de la hauteur des arbres, permettant d’évaluer le stock de carbone lié à la végétation et son évolution. Combinée à des modèles de végétation, cette information permettra de contraindre le puits de carbone lié à la biosphère terrestre.

62Le suivi de ces sources et puits de carbone au cours des cinquante dernières années montre d’importantes fluctuations interannuelles, liées principalement à la variabilité du climat, en particulier aux événements El Niño. Durant El Niño, on observe un excès de CO2 dans l’atmosphère, dû probablement à un déficit du puits « biosphère continentale ». Sur la période 1960-2010, la concentration de CO2 atmosphérique et le puits de carbone océanique ont augmenté. La source liée au changement d’occupation des sols est restée stable jusqu’au milieu des années 1990 et a légèrement diminué depuis.

63Le suivi temporel de ces sources et puits de carbone est un enjeu majeur de la modélisation climatique. La dernière génération de modèles climatiques incluant le cycle du carbone cherche à quantifier le plus précisément possible la contribution des différents réservoirs (atmosphère, océan, surfaces continentales) au bilan carbone et l’évolution de ces sources et puits en réponse à l’augmentation des émissions. Il s’agit d’un objectif majeur pour les climatologues cherchant à estimer la sensibilité du système climatique aux différents forçages auxquels il est soumis et sa réponse à l’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre. Cette concentration dépend notamment de l’efficacité des sources et des puits, la plus incertaine étant celle des surfaces continentales.

Agriculture et alimentation

64Bien que constituant un besoin humain fondamental, la sécurité alimentaire, c’est-à-dire la disponibilité et l’accès à la nourriture en quantité et en qualité suffisantes, est loin d’être effective à travers le monde, en raison notamment d’aléas climatiques ou de situations d’instabilité politique et de conflits. L’imagerie satellitaire joue aujourd’hui un rôle grandissant au plan de la sécurité alimentaire mondiale en fournissant des informations permettant l’amélioration et l’optimisation des rendements agricoles, ce qui a pour conséquences une meilleure planification et une gestion « durable » de la production agricole locale, régionale et mondiale. On l’utilise aujourd’hui comme outil d’aide à la décision pour la gestion des risques et la modélisation prédictive de l’approvisionnement et de la consommation alimentaire.

  • 14 Défini comme le rapport entre la surface supérieure totale des feuilles et la surface totale sur la (...)

65L’imagerie spatiale dans différents domaines de longueur d’onde permet de suivre l’état des cultures et d’estimer les rendements agricoles. L’acquisition d’images à des étapes-clés de la croissance des cultures permet d’estimer les divers paramètres biophysiques qui caractérisent l’état de la plante : l’indice de surface foliaire14, la teneur en chlorophylle, le niveau de stress hydrique de la plante, d’éventuelles anomalies de croissance, etc. Ces divers paramètres sont déduits de l’imagerie spatiale dans le proche infrarouge, le visible et les micro-ondes. Ces données, en particulier les indices de végétation comme le NDVI ou d’autres indices, sont injectées (assimilées) dans des modèles de croissance complexes développés par type de culture. Ces modèles combinent les indices de végétation observés avec d’autres informations – météorologie, pratiques culturales, propriétés des sols, topographie, état des eaux de surface, etc. – et au final produisent des estimations de rendement. De plus, ces informations permettent d’ajuster et d’optimiser l’irrigation et la fertilisation (apport d’engrais) des cultures durant la phase de croissance.

66Les plantes ont besoin d’eau pour croître et survivre ; l’eau est utilisée dans de nombreux processus biochimiques et aussi comme véhicule des éléments nutritifs depuis le sol jusque dans la partie supérieure de la plante. Lorsque la plante manque d’eau, elle est en situation de stress, détectable dans l’infrarouge par l’augmentation de chaleur associée à cette situation. Le stress hydrique ou les maladies de la plante modifient la structure cellulaire des feuilles et donc la réflectance de la plante dans l’infrarouge (avant que la perte de chlorophylle ne modifie la réflectance dans le visible). L’observation spatiale dans l’infrarouge permet donc de détecter précocement si les plantes sont soumises à un stress. Ceci permet à l’agriculteur de repérer le problème et de le résoudre soit en irriguant la culture, soit en appliquant des pesticides.

67Connaître la récolte potentielle au plus tôt dans la saison est essentiel tant pour l’agriculteur que pour un pays cherchant à satisfaire le besoin alimentaire national et les capacités d’exportation. Aujourd’hui, la télédétection spatiale constitue une aide majeure pour répondre à ces questions. L’analyse des mesures de réflectance et des indices de végétation associés permet d’établir des estimations du rendement saisonnier, même à un stade très précoce de croissance de la plante. On utilise pour cela des relations empiriques établies auparavant entre les indices de végétation à un stade donné de croissance et le rendement final. Des prévisions plus précises sont cependant obtenues en injectant les mesures de télédétection conjointement à des informations météo-climatiques et des données sur les propriétés et l’occupation des sols, dans des modèles « agro-météo » complexes de croissance des cultures.

68De nombreux projets nationaux et internationaux ont été développés ces dernières années pour prédire les rendements agricoles. C’est le cas de MARS (Monitoring Agriculture with Remote Sensing), piloté par la Commission européenne, ou encore GEOGLAM (GEO Global Agricultural Monitoring), initiative internationale créée en 2011 suite au G20 des ministres de l’agriculture, et dont l’objectif est de fournir de façon opérationnelle, à partir de la télédétection spatiale, des prédictions de récolte à l’échelle nationale et mondiale en vue notamment de réduire l’inconstance du marché mondial des céréales, en particulier celui du riz – nourriture de base de la moitié de l’humanité et de 90 % des pays d’Asie.

Les catastrophes naturelles et industrielles

  • 15 On appelle catastrophe naturelle un événement déclaré comme tel et remplissant au moins un des quat (...)

69Un autre exemple qui témoigne de l’utilité de l’observation spatiale est le suivi en temps réel des désastres majeurs : tremblements de terre, inondations, tsunamis, cyclones, feux de forêts, glissement de terrain, éruptions volcaniques, déversements d’hydrocarbures, accidents industriels. Les séismes et les accidents climatiques (cyclones, inondations) sont les deux types de désastre les plus fréquents. Les catastrophes naturelles15 ont doublé en vingt ans et sont aujourd’hui la cause dominante de pertes en vies humaines. Elles ont un coût annuel moyen de plusieurs dizaines de milliards de dollars. La gestion des urgences représente un défi humanitaire majeur où l’espace est devenu aujourd’hui une composante incontournable. Il y a une douzaine d’années, à l’initiative de la France et de l’Agence spatiale européenne, une coopération internationale entre agences spatiales – la Charte internationale « Espace et catastrophes majeures » – a été établie sur le plan du volontariat pour mettre à disposition gratuitement aux organismes de sécurité civile et aux Nations unies des informations fondées sur l’imagerie satellitaire extrêmement utiles pour la gestion des crises graves et l’organisation des opérations de secours. Dès qu’une catastrophe majeure se produit quelque part dans le monde, la Charte est activée par une entité autorisée. L’opération consiste à programmer l’acquisition d’images optiques ou radar de la zone concernée à partir de tous les satellites en orbite disponibles, de traiter en urgence les images pour fournir des informations facilement interprétables et de générer des cartes de référence – représentant la situation avant la catastrophe – et de crise. La cartographie détaillée des dégâts durant la période de crise et l’identification les regroupements de survivants – permises aujourd’hui grâce aux images de résolution submétrique – fournit des informations essentielles pour l’organisation rapide et efficace des secours sur le terrain.

70Depuis sa création en 2000, la Charte a été activée 370 fois, notamment lors du tsunami de Sumatra en 2004, du séisme d’Haïti en 2010, du tsunami au Japon en 2011, des incendies en Catalogne durant l’été 2012 et récemment lors de l’ouragan Sandy fin 2012. À ce jour, plus de cent pays ont bénéficié de l’accès à la Charte et quatorze agences spatiales y contribuent.

71Les images collectées pendant et juste après la crise sont aussi très précieuses pour les chercheurs qui essaient de comprendre les phénomènes provoquant les catastrophes, en particulier les séismes. Les images radar ou optiques à très haute résolution (par ex. avec Pléiades) permettent en effet d’identifier les failles responsables de la rupture de la croûte terrestre. Complétée par la mesure des déplacements, par interférométrie radar par exemple, la cartographie des failles au moment du séisme et durant la phase post-sismique fournit des informations précieuses sur la géométrie de la zone active et donc sur l’aléa sismique.

Conclusion

72Les systèmes spatiaux ont la capacité de mesurer un grand nombre de phénomènes terrestres à des échelles spatiales et temporelles variées, avec un échantillonnage sans précédent. Aujourd’hui, grâce à l’espace, nous ne décrivons plus seulement une Terre statique mais une Terre dynamique, en évolution permanente sous l’effet de phénomènes naturels et de la pression anthropique. Mais au-delà de ces constats, l’observation spatiale – en fait l’observation au sens large alliée à la modélisation des phénomènes – contribue aussi à optimiser la gestion de certaines de nos ressources vitales, comme les ressources en eau ou les ressources agricoles. Par exemple, les données collectées peuvent servir à alimenter des modèles de prévision mis au service de la société et des décideurs politiques en vue d’une meilleure gestion de la planète. Elles permettent de répondre de façon adaptée aux exigences du développement durable, c’est-à-dire à la préservation des équilibres entre besoins sociétaux, maintien des écosystèmes et efficacité économique. Des services opérationnels de surveillance globale des océans, des terres émergées et du système climatique, utilisant de façon privilégiée l’observation spatiale, ont été mis en place ces dernières années, tant au niveau européen avec le programme GMES (Global Monitoring for Environment and Security, à présent renommé Copernicus) qu’au niveau mondial avec le programme GEOSS (Global Earth Observation System of Systems). Ces programmes, peut-être encore trop confidentiels, permettent en principe de prendre les décisions politiques nécessaires. Mais il faut pour cela que les incertitudes scientifiques diminuent et que les modèles de prédiction deviennent incontestables. Cette interaction entre évolution des connaissances scientifiques et décision politique reste complexe à mettre en œuvre et n’est pas encore totalement maîtrisée.

Je remercie tout particulièrement : Zuheir Altamimi, Donald Argus, Michel Avignon, Jérôme Benveniste, Étienne Berthier, Richard Biancale, Helène de Boissezon, Stéphane Calmant, Selma Cherchali, Arnaud Contet, Jean François Crétaux, Sylviane Daillet, Gil Denis, Bernard Dupré, Daniel Gambis, Thierry Gentet, Olivier Henry, Pascal Kosuth, Juliette Lambin, Michel Lefebvre, Thuy Le Toan, Philippe Maisongrande, Didier Massonnet, Benoît Meyssignac, Hindumathi Palanisamy, Laurent Polidori, Catherine Proy, Daniel Raucoules, Frédérique Remy, Yannick Ricard, Annie Souriau, Anne Serfass-Denis, Danielle de Staerke, Olivier de Viron, Paul Wessel et Pascal Willis.

Notes

1 Science ayant pour objet la détermination de la forme de la Terre et du champ de gravité, ainsi que la mesure de distances entre points à la surface terrestre.

2 Valeur environ 10–5 fois plus petite que le rayon terrestre ; ces ondulations sont invisibles sur les images de la Terre, qui nous apparaît parfaitement sphérique.

3 Le gradiomètre du satellite GOCE est un instrument constitué de trois paires d’accéléromètres disposés selon trois axes perpendiculaires et mesurant les gradients de la gravité terrestre.

4 D. Massonnet et al., « The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry », Nature, vol. 364, 1993, p. 138-142, doi : 10.1038/364138a0.

5 Équilibre entre la force de Coriolis et le gradient de pression agissant sur un volume d’eau élémentaire.

6 Avec le développement du service de prévision océanique Mercator.

7 Par exemple, A. Cazenave et W. Llovel, « Contemporary sea level rise », Annual Review of Marine Sciences, vol. 2, 2010, p. 145-173, doi : 10.1146/annurev-marine-120308-081105.

8 É. Berthier et C. Vincent, « Relative contribution of surface mass-balance and ice-flux changes to the accelerated thinning of the Mer de Glace, French Alps, over 1979-2008 », Journal of Glaciology, vol. 58, no 209, 2012, p. 501-512, doi : 10.3189/2012JoG11J083.

9 Lancée en 2002, GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), lancée en 2002, est une mission développée par les États-Unis et l’Allemagne pour mesurer les variations spatio-temporelles de la gravité terrestre.

10 S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor et H. L. Miller (éd.), IPCC 4th Assessment Report. Climate change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, UK, et New York, USA, 2007.

11 Cf. rapport du GIEC 2013 : http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1

12 Il s’agit ici du bilan net entre l’extension de la forêt boréale et la régression de la forêt tropicale.

13 Partie par million en volume.

14 Défini comme le rapport entre la surface supérieure totale des feuilles et la surface totale sur laquelle la végétation se développe ; c’est un indicateur de la biomasse déduit du NDVI par une approche empirique basée sur des données expérimentales.

15 On appelle catastrophe naturelle un événement déclaré comme tel et remplissant au moins un des quatre critères suivants : plus de 10 victimes, plus de 100 personnes affectées, demande d’assistance internationale, déclaration de l’état d’urgence.

Auteur

Professeur invité au Collège de France, chaire annuelle de Développement durable – Environnement, énergie et société (2012-2013)

© Collège de France, 2013

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