Mesure des vagues sous la banquise

Mercredi, 21 décembre 2016

Une équipe internationale menée par le Laboratoire d'océanographie physique et spatiale (LOPS/IUEM, CNRS / UBO / Ifremer / IRD) vient de valider une nouvelle méthode d'analyse des images radar à synthèse d'ouverture, fournies notamment par les satellites Sentinel 1A/1B de l'ESA. Grâce à cette méthode, qui permet de mesurer la hauteur des vagues se propageant sous la glace et en eau libre, il va être désormais possible d'analyser plus finement la dynamique de bord des banquises arctique et antarctique.

 Le bord de glace de la banquise évolue sous l'effet du gel et du dégel, des vent et des courants, mais aussi des vagues. Or, ces dernières sont assez mal connues, en particulier celles se propageant sous la glace et dont on ne savait pas jusqu’à ce jour mesurer la hauteur.

Une équipe internationale menée par le LOPS a proposé une nouvelle méthode d'analyse des images radar à synthèse d'ouverture, en particulier de celles fournies par les satellites Sentinel 1A/1B de l'Agence spatiale européenne (ESA), visant à mesurer la hauteur des vagues se propageant sous la glace et en eau libre.

Tant que la scène vue par le radar à synthèse d'ouverture est figée, les images qu’il fournit ressemblent à des photographies. En revanche, tout mouvement d'un objet au moment de la prise d'image se traduit par une position déplacée de cet objet, dans la direction de vol du satellite. Ce déplacement est d'autant plus grand que l'objet va vite et qu’il se déplace verticalement, ou plus précisément en direction du satellite. Ainsi, une vitesse verticale (en direction du satellite) de 1 km/h donnera un déplacement pouvant aller jusqu’à 25 m. En conséquence, les mouvements alternatifs des vagues qui soulèvent la glace font apparaître dans l'image radar des bandes brillantes qui donnent l'illusion que la glace s'empile là où les déplacements convergent. On peut interpréter l'intensité de ces bandes brillantes en termes de vitesses de la surface dont on déduit les hauteurs des vagues.

  • Effet des vagues (en haut) sur la distorsion d'une image radar : les mouvements de la surface (flèches rouges) se traduisent par un déplacement sur l'image dans la direction de vol du satellite. Ainsi la plaque de glace A est décalée vers l'avant, alors que la plaque B est décalée vers l'arrière La convergence de ces déplacements donne une bande brillante.
  • Lignes claires (sortes d’empreintes digitales) créées par le traitement du radar à synthèse d'ouverture et dues aux vitesses verticales associées aux vagues qui soulèvent la banquise. Ces lignes sont "floutées" si les mouvements sont rapides ou associés à des vagues courtes. Le reflet en forme d'étoile est la signature radar du R/V Sikuliaq.


Cette méthode marche beaucoup mieux au niveau de la banquise qu'en eau libre car la glace de mer dissipe assez rapidement les vagues de haute fréquence. En effet, étant donné que pour une hauteur donnée, les vitesses verticales augmentent avec la fréquence, la présence de vagues de haute fréquence va rajouter des déplacements sur l’image radar, ce qui va générer un effet de floutage de l'image. Si ces déplacements atteignent la longueur d'onde des vagues de basse fréquence, les bandes brillantes associées aux deux types de vagues vont se mélanger jusqu’à faire complètement disparaître l'empreinte des vagues. C’est ainsi que sur les images radar, on peut voir surgir, au bord de la banquise, des vagues qui ont l'air d'arriver de nulle part.

Vue aérienne du navire Sikuliaq à quelques kilomètres à l'intérieur de la banquise lors de la campagne "Sea State", en mer de Beaufort. © Guy Williams et Ted Maksym Pour valider quantitativement cette méthode, les chercheurs ont réalisé des mesures de vagues, d’une part dans l'eau libre à l’aide de bouées dérivantes et d’autre part à l’intérieur de la banquise depuis le navire océanographie Sikuliaq.
Ces mesures leur ont permis de vérifier la forte atténuation des vagues de haute fréquence par la glace de mer, et la validité, en présence de glace de mer, de la relation théorique entre d'une part les vitesses verticales des différentes composantes du spectre des vagues, et d'autre part les variations d'intensité de l'image radar, à l'échelle des vagues de basse fréquence, et l'effet de floutage induit par les hautes fréquences.

 Ces travaux ont permis de démontrer qu’il était possible d’utiliser quantitativement les empreintes des vagues sur les images radar pour déterminer leurs vitesses verticales (voir une image radar complète : http://bit.ly/2h3exHY). On déduit ensuite la hauteur et l'énergie des vagues grâce à la relation théoriques entre vitesse et déplacement vertical qui ne dépend que de la longueur d'onde, laquelle est directement visible sur l'image radar. De pouvoir ainsi connaître l'évolution de l'énergie des vagues qui se propagent sous la glace va permettre d'analyser plus finement la dynamique du bord de glace en Arctique et en Antarctique. Pour ce faire, les chercheurs ont d’ores et déjà un grand nombre de données à leur disposition car l'ESA a fortement augmenté depuis mi-2015 la couverture en images radar haute résolution permettant de faire de telles analyses.

Ce travail a été réalisé dans le cadre de deux projets de recherche : "Ships and waves reaching the Arctic" (SWARP), financé par l'Union européenne, qui se focalise sur l'observation par satellite et la modélisation numérique, et un programme de recherche de l'U.S. Navy, qui se focalise sur la mer de Beaufort, au nord de l'Alaska, avec de gros efforts de mesures à la mer.

Source(s): 

Measuring ocean waves in sea ice using SAR imagery: A quasi-deterministic approach evaluated with Sentinel-1 and in situ data, F. Ardhuin, J. Stopa, B. Chapron, F. Collard, M. Smith, J. Thomson, M. Doble, B. Blomquist, O. Persson, and C. O. Collins, III, P.Wadhams, Remote Sensing of Environment, doi: 10.1016/j.rse.2016.11.024

Contact(s):
  • Fabrice Ardhuin, LOPS/IUEM
    fabrice [dot] ardhuin [at] ifremer [dot] fr, 06 52 86 64 41

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