Mission
L’observation et le suivi de l’évolution des régions polaires constituent un enjeu scientifique majeur. Ces régions figurent parmi les environnements les plus vulnérables au réchauffement climatique et constituent, à ce titre, des indicateurs privilégiés de l’évolution du climat à l’échelle globale. L’observation des modifications rapides de la cryosphère polaire (diminution du volume de glace de mer, fonte des calottes glaciaires…) permet ainsi de caractériser et de quantifier certaines des réponses du système climatique.
Par ailleurs, les régions polaires jouent un rôle déterminant dans le fonctionnement et la régulation du système climatique mondial. La cryosphère intervient notamment dans le bilan radiatif de la Terre à travers l’effet d’albédo, tandis que les échanges de chaleur et de matière entre l’océan, l’atmosphère et les surfaces englacées participent à la dynamique climatique globale. Les processus polaires influencent également la circulation océanique et atmosphérique, contribuant ainsi à la redistribution de la chaleur à l’échelle planétaire. Enfin, l’évolution rapide des environnements polaires s’accompagne d’enjeux géopolitiques, économiques et environnementaux croissants. La réduction de la couverture de glace favorise notamment l’accessibilité de certaines voies maritimes et de ressources naturelles, renforçant l’intérêt stratégique porté à ces régions. Le suivi des changements affectant les régions polaires apparaît donc essentiel, tant pour améliorer la compréhension du système climatique que pour anticiper leurs conséquences environnementales et socio-économiques à l’échelle mondiale.
Parmi les variables permettant de caractériser l’évolution de la cryosphère polaire, l’épaisseur de la glace de mer constitue une variable climatique majeure. En complément de l’étendue de la couverture de glace, elle fournit une information essentielle sur son état et son évolution, permettant notamment d’estimer les variations de volume de glace. Cependant, la mesure de l’épaisseur de la glace à l’échelle des régions polaires constitue un défi instrumental et logistique important, en raison de l’étendue des surfaces concernées et des conditions environnementales extrêmes qui limitent les observations in situ.
Dans ce contexte, la télédétection spatiale s’est progressivement imposée comme un moyen privilégié pour assurer un suivi régulier et homogène de la cryosphère. Parmi les différentes techniques satellitaires existantes, l’altimétrie constitue une approche particulièrement adaptée à l’estimation de l’épaisseur de glace de mer. En mesurant la hauteur de la surface de la glace et de la neige par rapport à la hauteur des zones d’eau libre, les satellites altimétriques permettent d’accéder à la hauteur de franc-bord (« freeboard »), paramètre qui peut ensuite être utilisé pour estimer son épaisseur à partir de relations d’équilibre hydrostatique.
Cependant, l’interprétation de la mesure altimétrique sur cette surface particulièrement hétérogène et dynamique demeure complexe et constitue une source importante d’incertitudes dans l’estimation des paramètres géophysiques. Les caractéristiques de la surface, telles que la présence d’eau libre, la couverture neigeuse, l’âge de la glace ou encore sa rugosité, influencent directement le signal radar rétrodiffusé et compliquent l’estimation précise des hauteurs de surface. À cela s’ajoutent les effets liés à la pénétration de l’onde radar au sein de la couche de neige, dont la profondeur de pénétration varie notamment en fonction des propriétés de la neige. Ces différents facteurs peuvent entraîner des biais (géographiques, temporels) significatifs dans la détermination de l’épaisseur de la glace de mer.
Le satellite SWOT lancé en Décembre 2022, présente l’avantage, grâce au radar interféromètre KaRIn, de fournir une information en 2D (2 fois 50 km de part et d’autre du nadir) de la mesure de topographie. L’interféromètre permet également d’estimer la hauteur de surface de manière indépendante des modèles de retracking traditionnellement utilisés pour l’altimétrie nadir, avec une résolution spatiale de l’ordre de 500 m par 500 m. Les premières observations de la topographie dans les régions océaniques englacées mettent en évidence des résultats particulièrement prometteurs. Ces nouvelles données offrent ainsi des perspectives intéressantes pour mieux caractériser la surface de la glace de mer et approfondir la compréhension et l’interprétation des informations issues de l’altimétrie nadir.
Dans ce contexte, le stage a pour objectif de réaliser une série de comparaisons croisées entre différents types de capteurs altimétriques afin de caractériser les biais observés. Les comparaisons entre bandes Ku et Ka de différentes sources permettront de mettre en évidence les effets de pénétration de la couche de neige et d’analyser les variations du taux de pénétration en fonction de différentes propriétés de surface.
Les comparaisons des missions d’altimétrie nadir aux données SWOT devraient permettre d’identifier les erreurs associées aux modèles de retracking mais également de mettre en évidence d’éventuelles signatures résiduelles liées aux corrections géophysiques, telles que les effets des marées océaniques ou de la pression atmosphérique.
Enfin, malgré une couverture limitée aux conditions de ciel dégagé, les données lidar de la mission ICESat-2 (NASA) seront également exploitées afin d’identifier et d’isoler certaines sources d’erreur. Les mesures lidar présentent en effet l’avantage de fournir une détection directe de l’interface air-neige, les photons étant rétrodiffusés au niveau de la surface, et la hauteur de surface ainsi estimée ne dépend d’aucun modèle de retracking. Ces données constituent une référence complémentaire pertinente pour évaluer les performances des différentes observations altimétriques.
Pour mener à bien ce travail, le stagiaire devra :
- Prendre en main les données (de niveau 2) de différentes missions altimétriques (SWOT, Cryosat-2, Sentinel-3, SARAL/AltiKa, ICEsat-2).
- Comparer les mesures de topographie et puissance du signal rétrodiffusé, interpréter et investiguer les différences obtenues en s’appuyant sur des sources de données extérieures (ex : épaisseur de neige, rugosité de surface issues d’autres capteurs, études ou modèles).
- Investiguer l’apport de solutions alternatives (nouvelles méthodes de retracking, correction des erreurs systématiques améliorée pour KaRIn, …).
Profil
- Niveau master généraliste,
- Compétences en traitement du signal / informatique scientifique (manipulation de données volumineuse)
- Anglais pour lire la littérature scientifique et la documentation
- Sens de la communication, prise d’initiative et curiosité.
*En tant qu'EPIC, le CNES applique un principe de neutralité (notamment politique et religieux) à l'ensemble de ses collaborateurs