Mesure du niveau des mers par satellite : le compte n’y est pas !

Arthur Corentin

En juillet 2025, la revue Ocean Science de l’EGU (European Geophysical union) publiait un article, issu d’une coopération franco-italienne, sur le budget du niveau des mers pour diverses régions du Globe, sur la période 2004-2022 [1]. Le but de cette étude était de comparer les données d’altimétrie spatiale obtenues avec le satellite GRACE et son successeur GRACE-FO, aux mesures de chaque contribution aux variations de volume des océans, faites par des moyens indépendants. Je propose ici d’en faire une synthèse.

1 – L’altimétrie spatiale

Les mesures d’altimétrie spatiale faites avec les satellites GRACE, reposent sur l’utilisation de télémètres microondes (Bande-K) qui mesurent les changements de vitesse et de distance entre deux satellites qui se suivent à environ 220 km l’un de l’autre, sur une orbite polaire à 490 km au-dessus de la Terre [2]. Lorsque le premier satellite passe au-dessus d’une région où la gravité est légèrement plus forte, il est légèrement accéléré vers l’avant par rapport au satellite qui le suit. De ce fait, la distance entre les satellites augmente. Une fois l’anomalie passée, il ralentit à nouveau, alors que celui qui le suit accélère, puis décélère au même endroit. En mesurant l’évolution de la distance entre les deux satellites et en combinant ces données avec les mesures de positionnement fournies par le système GPS, il est possible d’établir une carte des anomalies gravitationnelles de la Terre.

Pour éliminer l’effet des forces non gravitationnelles qui agissent également sur ces satellites (par exemple, la traînée, la pression du rayonnement solaire), ils sont équipés d’accéléromètres électrostatiques situés près de leurs centres de masse respectifs. Les variations de gravité mesurées sont liées à une redistribution constante des masses à l’intérieur de la Terre (eau sous-terraines par exemple) ou à sa surface, à la surface des océans, aux pôles, etc.

2 – Les composantes du niveau des mers

Si l’on s’intéresse au niveau des mers, celui-ci varie en fonction de plusieurs composantes :

– une composante stérique qui traduit l’effet des changements de température et de salinité des masses d’eau. Ces variations sont liées au forçage des vents de surface qui provoquent du mélange, à la chaleur absorbée qui provoque un effet de dilatation ou de contraction et aux apports d’eau douce qui réduisent la salinité et donc la masse volumique. L’effet du vent est particulièrement sensible au niveau des tropiques et aux hautes latitudes, alors qu’au latitudes moyennes et hautes (Atlantique Nord par exemple) ce sont les flux de chaleur (effet thermostérique) et d’eau douce qui domine cette composante, et cette composante stérique est le principal facteur qui détermine le niveau des mers. Son amplitude peut être de plusieurs mm/an.

– Une composante manométrique qui dépend des afflux d’eau douce (composante baristatique) et de la redistribution des masses d’eau en lien avec la circulation océanique. L’ajout d’eau douce couvre l’océan global en quelques semaines par ajustement barotrope.

– Une composante de charge atmosphérique. La surface océanique peut monter de 1 cm si la pression atmosphérique décroit de 1 mbar. Cette composante peut être estimée en utilisant les données de stations météo.

– une composante appelée GRD pour Gravité, Rotation et Déformation de la Terre. Elle comprend une contribution appelée GIA, relative au résultat de la redistribution des masses de glace et d’eau de la dernière déglaciation, et une contribution contemporaine due à la fonte des glaces continentales et aux variations des stocks d’eaux continentales. L’effet du GIA sur le niveau des mers est estimé à – 0,3 mm/an, alors que l’effet de la composante GRD est inférieur à 0,5 mm/an excepté au niveau des zones de glace où il peut être d’environ 1 mm/an.

3 – La mesure de tous ces paramètres

L’altimétrie spatiale permet d’observer le total de ces composantes. Les données sont corrigées de l’effet de la contribution GIA, et l’incertitude type sur la vitesse d’augmentation du niveau des mers est estimée à 0,3 mm/an au niveau global et à 1 mm/an à l’échelle régionale (c.a.d. avec un niveau de confiance de 68 %), en particulier dans les zones côtières. Ce sont les valeurs généralement affichées, mais elles signifient que, dans ces zones, la vitesse d’augmentation mesurée peut être comprise entre 0 et 3 mm/an si l’on désire travailler avec un niveau de confiance approximatif de 99 % (0 à 0,9 mm/an au niveau global).

La composante stérique est évaluée à partir des données des flotteurs du réseau ARGO. Ce réseau est constitué de flotteurs qui descendent automatiquement à 2000 m de profondeur, dérivent pendant 10 jours puis remonte pour émettre leurs données, en réalisant des mesures de température et de salinité, sur 58 profondeurs mesurées par un capteur de pression [3]. La salinité est une grandeur calculée à partir de mesures de température, conductivité et pression. Les cellules de conductivité sont très sensibles aux phénomènes de dérive, et des corrections de post traitement sont nécessaire pour les corriger. Elles se traduisent le plus souvent par une augmentation de la salinité enregistrée. Des corrections ont dû être apportées aux données mesurées entre 2015 et 2024 car cette dérive avait un effet significatif pour clore le budget du niveau des mers.

Ce réseau, dont les flotteurs sont répartis sur les mers du Globe pour avoir une résolution spatiale théorique de 1° x 1°, est une composante essentielle pour valider les données d’altimétrie satellite. A ce jour, il ne couvre que partiellement les profondeurs supérieures à 2000 m. Seuls quelques flotteurs appelés DeepArgo ont été déployés pour couvrir les zones jusqu’à 4000 m et 6000 m de profondeur. La contribution de l’océan profond est faible. Elle est estimée à 0,1 mm/an (0,13 ± 0,16 mm/an mesurés par des DeepArgo dans le Pacifique Sud entre 2014 et 2024).

Dans le travail publié dans Ocean Science, la composante manométrique a été estimée par deux méthodes indépendantes. La première est basée directement sur les données gravimétriques des satellites GRACE et GRACE FO. La seconde est basée sur l’utilisation de modèles océanographiques qui procurent des variations du niveau des mers basées sur les changements de masses volumique des océans et sur la circulation océanique, les niveaux calculés étant corrigés des variations de pression atmosphérique. Ces variations sont recalculées, et une empreinte GRD leur est ajoutée.

Essayer de valider les données d’altimétrie satellite par des mesures indépendantes, est donc d’une grande complexité.

4 – Les résultats obtenus

La figure 1 montre la tendance globale du niveau des mers entre janvier 2004 et décembre 2022 avec en a), le résultat des mesures altimétriques, en b) la composante manométrique, en c) la composante stérique obtenue avec le réseau ARGO, décomposée en composantes thermostérique en d) et halostérique en e). En f) est représenté ce qui reste quand on soustrait la somme des composantes calculées aux mesures d’altimétrie spatiale.

Dans les régions du Pacific sud, de l’Atlantique sud et du sud-ouest de l’océan Indien, le bilan est plutôt satisfaisant car les résidus sont dans l’incertitude des mesures altimétriques. Dans ces mêmes régions, le graphique a) montre qu’il n’y a pas de tendance significative. Comme on peut le constater avec les réseaux de marégraphes côtiers, l’augmentation du niveau des mers n’est pas homogène sur toute la planète. Par contre, les erreurs sont les plus grandes dans les régions où les augmentations sont les plus importantes. Les erreurs visibles dans l’est de l’océan Indien et sur la côte du nord de l’Indonésie, sont à priori imputables au tremblement de Terre de Sumatra en 2004.

Celles visibles au niveau de l’Atlantique nord sont plus difficiles à expliquer. Une analyse a été réalisée pour voir l’impact du mouvement du géo-centre de la Terre et des corrections de GIA. Elle montre que ces composantes contribuent au résidu observé en Atlantique Nord, cependant, quand les corrections de mouvement du géo-centre sont appliquées, elles augmentent les résidus dans les autres régions du Globe. La composante manométrique a également été réanalysée en utilisant d’autres modèles de réanalyse. En Atlantique Nord, un résidu positif apparaît à chaque fois, il est cependant plus important avec les données de GRACE.

Afin de voir la tendance de chaque région et de l’Atlantique nord en particulier, une moyenne régionale de chaque composante a été réalisée. Elle est visualisée sur la figure 2 a). Une moyenne globale a également été réalisée en excluant l’Atlantique nord (figure 2 b)). Sur la figure 2 c) sont représentés les résidus de l’Atlantique nord. Elle montre clairement que le budget de l’Atlantique nord ne peut pas être clos, et que les résidus augmentent au cours du temps. La tendance est la même au niveau global (océan Atlantique nord exclus), mais dans une moindre mesure (figure 2 d).

Une autre analyse a été réalisée afin de voir si le signal résiduel concernant l’atlantique nord suit une tendance ou contient des oscillations basses fréquence. Il s’avère qu’il y a bien une forte pente résiduelle, mais superposée à une période d’oscillation de 11 ans. Des fluctuations relatives à ENSO sont également visibles.

5 – Conclusion

Cette étude visait à faire le point sur les tendances régionales du niveau de la mer à partir des données des satellites GRACE entre 2004 et 2022, période durant laquelle le réseau des flotteurs dérivants ARGO a été mis en fonction progressivement, remplaçant les sondes perdables du type XBT [4], dont la traçabilité métrologique et le budget d’incertitude sont difficile à établir.

Malgré l’utilisation de plusieurs jeux de données différents pour évaluer la composante manométrique, le budget de l’Atlantique Nord ne peut pas être clos et les résidus ne sont pas situés dans les mêmes zones selon les bases de données utilisées.  Pour les autres régions, la somme des composantes entre dans les incertitudes des mesures d’altimétrie spatiale.

L’étude met en cause la fiabilité des données de salinité en Atlantique nord, obtenues à partir des profileurs du réseau ARGO mais elle souligne aussi que les incertitudes de mesure des satellites GRACE ne sont pas négligeables.

Contrairement aux affirmations que l’on voit dans certains articles réchauffistes, il est donc nécessaire de rester prudent dans l’interprétation et l’utilisation des données d’altimétrie spatiale, sans remettre en cause leur utilité. Les satellites de nouvelle génération du type SWOT [5], permettront peut-être d’en savoir plus grâce à leur meilleure résolution. Cependant, prédire l’évolution du niveau des mers n’est pas une mince affaire.

[1] – https://os.copernicus.org/articles/21/1425/2025/

[2] – https://gracefo.jpl.nasa.gov/resources/50/how-grace-fo-measures-gravity/

[3] – https://www.euro-argo.eu/

[4] – https://fr.wikipedia.org/wiki/XBT

[5] – https://fr.wikipedia.org/wiki/Surface_Water_Ocean_Topography