Le premier satellite météo, Tiros 1, a été lancé par les Américains en 1960. Les images de l'atmosphère qu'il transmettait n'étaient pas vraiment exploitables. Mais, depuis cette date, la technique a beaucoup progressé. De nos jours, il existe deux familles de satellites météo : les satellites défilants et et les satellites géostationnaires.

Les satellites défilants

Les satellites défilants utilisés en météorologie tournent autour de la Terre sur une orbite quasi circulaire passant près des pôles, à une altitude un peu inférieure à 1 000 km. Ils font le tour de la Terre en près de deux heures. Pour la majeure partie d'entre eux, l'orbite est "héliosynchrone", ce qui signifie que le plan de l'orbite suit le déplacement apparent du Soleil autour de la Terre. De la sorte, les points de la Terre situés sur un même parallèle sont tous survolés à la même heure solaire.
Comme les satellites géostationnaires, les satellites défilants météo sont munis d'un imageur à plusieurs canaux qui vise la surface de la Terre. L'image d'une partie du globe terrestre est obtenue en combinant l'avance du satellite sur son orbite et le balayage de l'imageur dans la direction perpendiculaire. L'imageur permet de surveiller les masses nuageuses, en particulier dans les régions de haute latitude (la Scandinavie, par exemple) qui échappent au satellite géostationnaire. En revanche, comme les satellites défilants ne survolent une région de moyenne latitude que deux fois par jour, on ne peut pas " animer " leurs images pour suivre le mouvement des masses nuageuses.

 Voiles de sable saharien
 Répartition d'ondes

Mais, pour les météorologistes, le principal atout des satellites défilants est ailleurs : ils sont munis d'un autre instrument, le radiomètre-sondeur, ou sondeur. Cet instrument mesure, comme l'imageur, le rayonnement arrivant au satellite et provenant d'un élément de la surface et de l'atmosphère terrestres. Mais il possède un grand nombre de canaux, ce qui permet d'analyser finement la répartition du rayonnement selon la longueur d'onde. De cette analyse en longueur d'onde, on peut déduire le profil vertical de la température et de l'humidité dans l'atmosphère. C'est une mesure de même nature que celle fournie par les radiosondages lancés depuis le sol. Le champ de visée du sondeur est beaucoup plus grand que celui de l'imageur ; les profils mesurés sont donc représentatifs d'une région assez large de l'atmosphère (typiquement 50 km avec les sondeurs actuels).

Un exemple : le sondeur actuellement opérationnel sur les satellites défilants américains NOAA est appelé ATOVS . Il possède 19 canaux dans le domaine infrarouge, qui permettent de mesurer les profils atmosphériques dans les régions sans nuages. ATOVS possède également 20 canaux dans le domaine micro-ondes, qui complètent les mesures dans les régions nuageuses. Le sondeur ATOVS donne accès aux profils atmosphériques avec une résolution verticale de quelques kilomètres et une précision de l'ordre de 2 °C pour la température et de 30 % pour l'humidité relative. Ces performances sont très inférieures à celles du radiosondage ; mais, gräce au satellite, le sondeur présente le grand avantage de fournir des profils deux fois par jour, partout à la surface de la Terre.

 Données satellitaires ATOVS

Ces profils de température et d'humidité mesurés par les sondeurs satellitaires servent de données d'entrée dans les modèles numériques de prévision du temps, de la même façon que les observations collectées par les instruments météo plus traditionnels. Gräce aux progrès effectués dans la conception des sondeurs depuis une vingtaine d'années, mais aussi gräce à l'amélioration constante des méthodes d'assimilation de données en prévision numérique, l'impact des données des sondeurs sur la qualité des prévisions est désormais sensible : on estime que cet impact est particulièrement important dans l'hémisphère nord pour les échéances de prévision supérieures à 48 heures, mais aussi dans l'hémisphère sud, où les radiosondages sont rares, à toutes les échéances.

A l'heure actuelle, on commence à voir apparaître des sondeurs de conception nouvelle, reposant sur des interféromètres et non plus sur des radiomètres et possédant un bien plus grand nombre de canaux. Ainsi, le futur satellite défilant météo européen, Metop, dont le lancement est prévu fin 2005, sera équipé du sondeur IASI muni de plus de 8 000 canaux dans l'infrarouge. Les météorologistes espèrent ainsi pouvoir mesurer les profils atmosphériques avec une bien meilleure résolution verticale (1 à 2 km) et une bien meilleure précision (1 °C pour la température, 10 % pour l'humidité) qu'avec ATOVS. Ils comptent donc sur IASI pour améliorer encore la qualité des prévisions numériques du temps.

 Vue d'artiste du futur satellite

Les satellites géostationnaires

Les satellites géostationnaires tournent autour de la Terre sur une orbite située dans le plan de l'équateur, à 36 000 km d'altitude. Leur mouvement étant synchronisé avec la rotation de la Terre autour de l'axe des pôles, ils surplombent toujours la même partie de notre globe terrestre.

 Vue d'artiste du satellite géostationnaire européen MSG.

Pour les applications météorologiques, le principal instrument utilisé sur les satellites géostationnaires est le radiomètre-imageur, ou imageur. Cet instrument mesure le rayonnement arrivant au satellite et provenant d'un élément de la surface et de l'atmosphère terrestres. L'image complète du globe terrestre est obtenue par un balayage combinant la rotation du satellite sur lui-même et l'orientation de l'imageur. Le satellite européen Météosat est capable de fournir une image complète du globe toutes les demi-heures ; son successeur, MSG , plus performant, peut le faire toutes les quinze minutes..

 Schéma du balayage de l'imageur de Météosat
 Les canaux de Météosat

Pour la mesure du rayonnement, l'imageur possède plusieurs canaux, qui correspondent chacun à une bande particulière de longueurs d'onde électromagnétiques. Ainsi, l'imageur de Météosat possède 3 canaux : le canal visible, le canal infrarouge et le canal vapeur d'eau.
- Dans le canal visible, l'imageur " voit " à peu près ce que verrait l'œil humain : la lumière solaire réfléchie par la surface terrestre ou les nuages. Plus les nuages sont épais, plus la réflexion est forte et plus l'image est blanche. Ce canal n'est utilisable que lorsqu'il fait jour sur la Terre.
- Dans le canal infrarouge, l'imageur mesure l'émission thermique de la cible, et donc sa température, cela de jour comme de nuit. S'il n'y a pas de nuages sur la ligne de visée, la cible est la surface terrestre ; s'il y a des nuages, la cible est leur sommet, dont le radiomètre donne la température. On en déduit l'altitude du sommet des nuages : plus il est situé haut dans l'atmosphère, plus il est froid et plus l'image est blanche.
- Dans le canal vapeur d'eau, enfin, l'imageur mesure la quantité de vapeur d'eau présente dans la moyenne troposphère.

L'imageur de MSG est plus perfectionné que celui de Météosat : il possède 12 canaux, ce qui lui permet de mesurer des paramètres atmosphériques complémentaires : l'ozone, les aérosols, la stabilité, etc.

 Les canaux de MSG

Muni de son imageur, le satellite géostationnaire constitue pour les météorologistes un formidable outil de surveillance et de prévision immédiate du temps. Chaque demi-heure (Météosat) ou chaque quart d'heure (MSG), il indique où se trouvent les principales masses nuageuses (perturbations des latitudes tempérées, systèmes orageux, cyclones tropicaux…) et quels types de nuages les composent. Comme, de plus, le géostationnaire surveille toujours la même partie du globe terrestre, on peut " animer " une séquence d'images, ce qui donne une idée très précise de l'évolution et du déplacement des masses nuageuses. Gräce au satellite géostationnaire, les météorologistes sont maintenant capables d'alerter les populations lorsqu'un cyclone tropical se rapproche dangereusement d'une région habitée.

 Le cyclone Isabelsur la côte atlantique des Etats-UnisG