Observatoire de l'Arctique

Surveillance de l’Arctique (1/2)

Aspects technologiques et industriels

Ce premier développement fait un point sur les enjeux et les difficultés de la surveillance de l’Arctique, avec une attention plus particulière portée aux systèmes satellitaires. La prochaine rubrique du bulletin développera en détails les constellations et projet de constellations Arktika et Radarsat, et fera un point des initiatives en matière de GPS et de communications.

1 – Pourquoi renforcer la surveillance de l’arctique ?

L’association des termes surveillance[1] et arctique ne surprend pas. En effet, durant la Guerre froide, cette région – à la fois frontière entre les deux grandes puissances et zone d’évolution préférentielle pour les sous-marins nucléaires lanceurs de missiles stratégiques – a fait l’objet d’une surveillance soutenue de la part de l’OTAN et du pacte de Varsovie. Cette veille attentive a conduit à la mise en œuvre de divers dispositifs de surveillance situés dans l’espace, autour de la zone et au nord du cercle polaire.

Après la chute de l’URSS, les moyens mis en œuvre ont diminué en importance, toutefois des activités de surveillance menées dans une optique plus pacifique perdurèrent, menées à une échelle moindre afin d’approfondir la connaissance de cette zone encore mystérieuse à bien des égards. Cette surveillance permit aux scientifiques de mettre en évidence le phénomène de fonte des glaces de mer, de nature à changer la donne en donnant selon leurs visions, soit l’alerte vis-à-vis d’un péril pour la planète, soit le signal d’un réveil de l’Arctique, ou soit encore l’ouverture d’une ultime frontière.

Les conséquences de l’évolution du phénomène glaciaire ont des répercutions dans de nombreux domaines. Elles ouvrent des perspectives d’exploitation de ressources naturelles jusqu’à présent inaccessibles et d’utilisation des mythiques routes maritimes du nord-est et nord-ouest. Par ailleurs, elles attisent des craintes pour le mode de vie des populations locales, la survie de la faune et la pollution de l’océan comme des terres voire la perspective d’un dérèglement climatique majeur avec des conséquences sur l’ensemble de la planète.

Au-delà des problématiques de sécurité qui demeurent, de nombreux enjeux indirects se découvrent conférant à la région arctique un caractère stratégique croissant[2]qui justifie une surveillance.

Outre les nations impliquées pour les enjeux de souveraineté ou pour des intérêts économiques, les organisations ayant vocation à préserver la nature et l’environnement sont concernées également par cette surveillance, qui peut aider à résoudre un grand nombre de difficultés auxquelles seront confrontés ces acteurs. Ces difficultés vont des menaces graves pesant sur l’environnement physique (changements climatiques, risque de pollution, ressources naturelles à préserver), aux grands défis sociétaux, mobilité des populations, inquiétude en matière de sécurité.

2 – Une surveillance aux objectifs divers

2.1 –  La surveillance par les États de zones objet de litiges

Les perspectives de retombées économiques associées au contrôle de voies maritimes transocéaniques entre Atlantique et Pacifique et l’exploitation des ressources naturelles incitent les pays de la zone arctique à définir avec précision les limites à l’intérieur desquelles s’exerce leur souveraineté et à montrer qu’ils y exercent un contrôle au moins minimal. En réaction, d’autres nations dont la France souhaitent le respect voire l’extension du domaine international. Les revendications territoriales et les litiges qui résultent de l’interaction des volontés, impliquent de part et d’autre des actions de surveillance en vue de recueillir du renseignement d’intérêt, dont des indices pouvant avoir valeur de preuves. Il s’agit en effet pour chacune des nations de connaitre la réalité des déploiements civils ou militaires des différents acteurs, et d’anticiper les actions à venir pour pouvoir éventuellement en contester le bien-fondé. Ce type de politique est soutenu par la mise en œuvre de moyens de renseignement nationaux permettant d’obtenir dans la zone une capacité d’appréciation autonome des situations.

Pour la France, la fonction connaissance et anticipation[3], de la responsabilité du ministère de la Défense, est la condition de décisions libres et souveraines. Cette fonction recouvre notamment le renseignement et la prospective. Elle permet l’anticipation stratégique qui éclaire l’action. Elle est également une condition de l’efficacité opérationnelle des forces et contribue à l’économie des moyens que celles-ci utilisent pour remplir leurs missions.

Cette capacité nous permet de nous engager en toute connaissance de cause dans des actions qui sont de plus en plus coordonnées, voire menées en commun, avec nos partenaires et alliés.

2.2 –  La surveillance des zones d’exploitation

Le potentiel d’extraction d’hydrocarbures et de gaz naturel de ces régions est réputé important (cf. 2ème bulletin de l’Observatoire). Des minerais comme le nickel, le cuivre, l’aluminium ou l’uranium sont également présents dans le sous-sol Arctique. Si le recul glaciaire se confirme, leur exploitation devrait se développer, entraînant une augmentation de la présence humaine, l’ouverture de sites industriels, et le développement d’une infrastructure de transport et de communication. Dans cette zone hostile, ces installations sont confrontées à de multiples dangers :

  • Effets directs du froid fragilisant les structures métalliques et compliquant la circulation de fluides ;
  • Exposition aux intempéries, tempêtes et vents violents ;
  • Soulèvements ou glissements de terrain provoqués par le réchauffement et par endroits, le dégel du pergélisol (permafrost), ce dernier entraînant également une instabilité des sols ;
  • Risques d’exploitation, pour protéger la santé humaine et les écosystèmes.

Cette surveillance doit se traduire par la mise en place de systèmes de détection précoce et d’alerte performants, efficaces pour vérifier la conformité, pérenniser et fiabiliser les installations en réduisant les risques de défaillance. Il s’agit d’évaluer la vulnérabilité systémique des infrastructures, des réseaux et des organisations face aux aléas naturels.

Dans ce cadre, des actions de surveillance doivent être entreprises pour :

  • Acquérir des données de référence avant une exploitation afin de mesurer l’incidence environnementale des projets et aider aux décisions d’autorisation ;
  • Surveiller le vieillissement accéléré des installations soumises au milieu et aux conditions locales, et leur éventuelle perte d’intégrité qui n’est pas seulement liée à l’âge sous ces latitudes. Suivi des mécanismes qui induisent des dégradations ;
  • Suivi des déchets, de leur évacuation et de leur traitement ;
  • Suivi des travaux d’extraction sur terre ou sur les fonds marins ;
  • Suivi temps réel des convois ;
  • Suivi des pollutions éventuelles en particulier pour les installations offshore.

2.3 –  La surveillance de l’océan et des voies de communication maritimes au profit de la navigation

Le recul de la banquise conduit à un accroissement du trafic maritime de desserte, notamment en mer de Barents et en mer de Kara. Son éventuelle disparition saisonnière à partir de la fin des années 2030 (SWIPA[4] 2017) accélèrerait l’exploitation économique de l’Arctique. De manière directe et indirecte, le recours aux voies maritimes arctiques, que ce soit pour un trafic de desserte locale, de transit intercontinental, de tourisme, ou en soutien à d’autres activités économiques, se développera.

Quel que soit le niveau de diminution de surface de la banquise arctique, la navigation dans ces eaux demeure et restera périlleuse. La brume surprenante et persistante, les glaces, les tempêtes, une cartographie limitée ou approximative[5], les données hydrographiques, météorologiques et océanographiques parcellaires[6], ou encore le Nord magnétique variable qui rend le compas moins fiables, sont autant de facteurs qui nécessitent une surveillance pour :

  • Satisfaire le besoin national de détection puis le suivi des navires en transit dans les eaux territoriales ;
  • Assurer la surveillance des pêches ;
  • Cartographier et surveiller les courants le long des routes maritimes ;
  • Apporter une aide à la navigation par des informations rafraichies par des données correctives en temps réel ;
  • Apporter une connaissance actualisée des chenaux libres de glaces, de l’épaisseur des glaces, de leur profondeur, des risques sous-marins et de la présence d’icebergs ou de growlers pour que les navigateurs puissent emprunter la meilleure route possible ;
  • Exercer une surveillance de la pollution par les hydrocarbures émis par les navires et faciliter l’interception puis l’escorte des navires pollueurs ;
  • Faciliter le secours en mer en donnant l’alerte et en guidant les acteurs des opérations de secours.

2.4 –  Surveillance météorologique

Une connaissance fiable et actualisée des informations météorologiques et des changements qui surviennent au nord du 60°degré de latitude nord, s’avère capitale à deux titres. Elle permet d’informer localement pour faciliter le développement de la région, et elle contribue à la compréhension des évolutions des conditions météorologiques et climatiques ailleurs sur la planète. En effet, les effets du réchauffement en arctique (deux fois plus rapide que la moyenne mondiale depuis une cinquantaine d’années) ont des répercussions sur plusieurs autres zones du monde (cf. Partie « Environnement » et la mise à jour 2017 du rapport SWIPA).

Ainsi recevoir des informations[7] de tous types concernant la région arctique apparaît essentiel pour assurer les fonctions hydrométéorologiques, géophysiques, géochimiques, écologiques et relatives aux catastrophes les plus pressantes de la région.

De ce fait il est nécessaire de :

  • Collecter et relayer les données issues de plates-formes d’observation terrestres, maritimes et aériennes pour améliorer l’efficacité du réseau en assurant leur transmission effective et rapide vers les centres hydrométéorologiques nationaux et régionaux ;
  • Échanger et diffuser vers les utilisateurs les données hydrométéorologiques et hélio géophysiques traitées ;
  • Surveiller l’évolution de la couverture de glace de l’océan Arctique, l’observation des inlandsis ;
  • Surveiller les conditions hélio-géophysiques dans l’espace proche de la Terre.

2.5 –  La surveillance et le suivi des écosystèmes de l’environnement – L’écologie

Malgré des pollutions indirectes liées à l’activité économique essentiellement en Europe, la zone arctique demeure tout de même un écosystème peu impacté par les conséquences de l’industrialisation mondiale. Il peut être en ce sens considéré comme une sorte de sanctuaire, dont l’accès est bien plus facile que le pôle Sud pour des activités de recherche.

Toutefois, cet écosystème, déjà déstabilisé par le réchauffement climatique en cours, s’avère fragile. La croissance de l’activité économique en Arctique fait craindre des dégradations irrémédiables de ce qui peut être considéré comme l’un des derniers espaces de « nature » au monde, hostile à l’homme et encore peu connu. En effet, ce qui est appelé nature renvoie le plus souvent à l’environnement naturel de l’homme, c’est-à-dire à un environnement naturel domestiqué, cartographié, approprié, qualificatifs s’appliquant assez mal à l’Arctique.

Il faut donc surveiller attentivement les « Interactions Homme-Environnement dans les Régions Arctiques », en particulier :

  • L’état de la biodiversité, la distribution des espèces, de leurs zones de vie, les habitudes nutritionnelles et migratoires ;
  • Les aires marines protégées et la présence de poissons ;
  • Le taux de carbone, des contaminants dans l’océan ;
  • Les échanges de chaleur et de CO2entre l’atmosphère et l’océan, la séquestration de ce CO2 par l’océan… ;
  • Détection de l’évolution des zones côtières, des milieux humides ;
  • Surveillance des répercussions environnementales de l’exploitation minière ;
  • Le dégel du pergélisol, les interactions entre hydrologie, végétation et cycles biogéochimiques en particulier la croissance de végétations nouvelles ;
  • Le retrait de la banquise arctique, ses effets et ses interactions. Estimations de l’épaisseur et du volume de la glace dans l’océan Arctique ;
  • Étudier la dynamique de la glace dans les zones côtières et les estuaires.

3 – Quels sont les facteurs limitant la surveillance ?

La surveillance de la zone dépend de l’action humaine et de la mise en œuvre de capteurs techniques. Dans cette région quasi désertique et faiblement peuplée, l’acquisition d’informations d’origine humaine y est difficile : la petite densité de population dans les rares parties peuplées laisse ainsi de larges zones d’ombres, de même que le faible trafic lié aux activités humaines.

La surveillance repose donc largement sur des capteurs techniques, terrestres, sous-marins aériens et satellitaires, permettant d’intervenir dans les domaines océanique, météorologique et sécuritaire, sans oublier des moyens de transférer les informations vers les centres de traitement.

Toutefois ces capteurs utilisés avec succès sous d’autres latitudes sont confrontés à des difficultés d’ordre physique, météorologique et technique, qui limitent leurs performances. On notera principalement :

  • L’immensité de la zone dont la superficie (océanique et terrestre) atteint plusieurs dizaines de millions de kilomètres-carré ;
  • La nébulosité importante et persistante, ainsi que la nuit polaire pénalisent l’observation aérienne ou spatiale avec les capteurs photographiques ou vidéo les plus courants. Le nombre d’images peu nuageuses est de l’ordre de 20 à 30 par an, mal réparties avec des saisons peu favorables (été et automne), d’autres un peu plus (hiver et printemps) ;
  • La couche de glace recouvrant l’océan Arctique empêche une observation directe de l’océan ;
  • Les satellites utilisant des orbites géostationnaires ont des difficultés pour assurer des services sur la zone arctique. En effet, la zone d’observation de qualité depuis l’orbite géostationnaire est limitée par un angle de zénith de 70°. Cela a pour conséquence que ces satellites ne « voient » ni la terre ferme, ni l’océan, au-delà du 60° degré de latitude nord ;
  • Les transferts d’informations entre les satellites de positionnement et les capteurs de localisation situés au sol ou près du sol sont perturbés par la scintillation atmosphérique et par les phénomènes météorologiques spatiaux spécifiques à ces régions.

4 – Les capteurs satellitaires

Ce développement a pour ambition de faire le point sur quelques initiatives spécifiquement orientées pour faciliter la surveillance du pôle. L’observation par satellite occupe une place de choix dans les systèmes d’observation en Arctique. En effet, les observations depuis l’espace permettent de considérer de manière globale une zone, et de compléter des observations sol ou mer généralement insuffisamment échantillonnées. Il s’agit toutefois de dépasser les difficultés liées à l’utilisation des orbites géostationnaire et à la forte nébulosité.

4.1 –  Les satellites équipés de radars SAR

Les satellites équipés de radars à synthèse d’ouverture (SAR) observent le globe par tout temps, de jour comme de nuit. Les capteurs SAR émettent dans les bandes de fréquence L, C ou X, et ils sont bien adaptés pour l’observation des inlandsis.

C’est ainsi que les systèmes RADARSAT 2, Terra SAR-X, COSMO-SkyMed, Sentinel 1A contribuent à l’acquisition de données sur l’Arctique.

Pour faciliter le recueil et l’utilisation de jeux de données émanant de radars SAR de toutes nationalités, le groupe des activités spatiales de l’OMM pour les régions polaires a mis sur pied un groupe de coordination SAR.

4.2 –  Les microsatellites équipés de radars SAR

La technologie de petits satellites dénommés microsatellites permet d’envisager la constitution d’une constellation de satellites bas coût. Ces satellites équipés de capteurs SAR permettent de fournir des images tous temps à basse résolution avec une excellente répétitivité du fait du grand nombre de satellites utilisés. La start-up finlandaise ICEYE prévoit les premiers lancements en 2018.

Conjugués au marché croissant et prometteur de l’observation de la Terre, ces projets à faible coût d’infrastructure ont incité des investisseurs privés, tels que des sociétés de fonds de capital-risque et des investisseurs non issus du secteur spatial, à s’engager dans des entreprises spatiales, notamment aux États-Unis.

4.3 –  Les satellites présentant une orbite polaire fortement elliptique

A.–      Le principe

Les satellites se déplaçant sur des orbites polaires permettent de couvrir physiquement l’ensemble du territoire. En effet, l’immensité de ces régions, dont la superficie totale atteint plusieurs dizaines de millions de kilomètre-carré, fait de la télédétection un outil de choix. Cependant cette couverture est de courte durée pour chaque point survolé (de l’ordre de 15 minutes) et la largeur de fauchée est faible (de l’ordre de 100 à 2 500 km), ce qui nécessite de multiplier le nombre de satellites.

Pour améliorer les performances, une solution consiste à utiliser une orbite elliptique de type Molnya[8] à forte excentricité calée sur le rythme de rotation de la Terre, ou un de ses multiples, afin de garantir la périodicité des passages au même endroit géographique. De tels paramètres confèrent à ces orbites une visibilité d’une zone au sol durant un temps plus significatif, puisque l’observation se fait au passage de l’apogée de l’orbite, lorsque la vitesse du satellite est la plus faible, optimisant ainsi le temps de survol. Par ailleurs, une vitesse plus faible simplifie le suivi du satellite par les antennes sol.

Le temps passé sur orbite au-dessus de la zone visée est de l’ordre de 8 heures. Cela permet à une constellation de trois satellites espacés de 8 heures sur la même orbite de remplir efficacement une mission d’observation presque permanente.

En conséquence, il devient possible d’acquérir des données hydrométéorologiques satellitaires quasi continues (en particulier les vecteurs vent dits « polaires ») à des latitudes de la région arctique supérieures à 60°N (calotte polaire) au moyen d’instruments semblables aux imageurs actuels embarqués sur des satellites météorologiques géostationnaires de base.

C’est pourquoi, depuis quelques années, les agences spatiales et les services météorologiques américains, canadiens, européens et russes s’intéressent de plus en plus à la constitution de réseaux de satellites hydrométéorologiques sur orbite hautement elliptique[9].

En 2007, l’organisation météorologique mondiale OMM avait étudié la possibilité d’une éventuelle coopération internationale sur le projet russe Arktika adapté à la surveillance des régions polaires avec un taux de revisite suffisant pour satisfaire le besoin.

B.–      Le projet russe de système polyvalent de suivi spatial Arktika

L’intérêt de surveiller l’Arctique, et de disposer d’un taux de revisite suffisant, a poussé la Russie à développer un système spatial adapté à la surveillance de ces régions à base de satellites polaires à orbite elliptique. Il s’agit également de construire les infrastructures sol nécessaires à ce type de satellites tout en tirant le meilleur parti des installations existantes. Ce système, baptisé Arktika, a été initialement lancé dans la perspective d’une coopération entre Russes et Canadiens.

La conception du réseau Arktika a été présentée dans le rapport commun des délégations de Roscosmo (Association de production scientifique S.A. Lavochkin) et Roshydromet (Centre de recherche Planeta) à la septième réunion de concertation à l’échelon le plus élevé de l’OMM sur des questions relatives aux satellites, en janvier 2007, et au Quinzième Congrès météorologique mondial, en mai 2007. A cette date, il fut recommandé d’étudier un développement dans le cadre du projet international Géolab.

La coopération avec les Canadiens a été abandonnée en 2010, les Canadiens développant de leur côté la constellation RADARSAT, les Russes poursuivant le programme avec un premier lancement annoncé en 2017 ou 2018.

Notes :

[1] La surveillance est le fait de surveiller et comprend l’ensemble des actes par lesquels on exerce un contrôle, un suivi. Dixel 2011.

[2] EuroDéfense-France, L’arctique, océan d’avenir pour la sécurité et l’autonomie stratégique de l’union Européenne, 2014, 20 p.,    https://eurodefenseinfo.files.wordpress.com/2014/09/l_arctique_occ3a9an_davenir_pour_la_sc3a9curitc3a9_et_lautonomie_stratc3a9gique_de_lue_rapport-final.pdf

[3] Livre blanc sur la défense et la sécurité nationale, 2013.

[4] http://www.amap.no/swipa2017

[5] Le capitaine de vaisseau Jean-Marin d’Hébrail, commandant de la frégate anti-sous-marine Primauget, déployée pour une mission Grand Nord en juin et en juillet 2015. Les levés hydrographiques pouvant dater de plusieurs décennies et avoir été réalisés avec des technologies sommaires (sondages très espacés).

[6] Feuille de route nationale sur l’Arctique, juin 2016.

[7] Voir par exemple l’appel de l’Organisation météorologique mondiale (OMM) fin 2016 : OMM, Métamorphoses de l’Arctique : il est urgent d’agir, Press release number 11, 28 septembre 2016, https://public.wmo.int/fr/medias/communiqu%C3%A9s-de-presse/m%C3%A9tamorphose-de-l%E2%80%99arctique-il-est-urgent-d%E2%80%99agir

[8] Ces orbites portent le nom de Molnia (Molniya en anglais), du nom de la première des trois séries de satellites de télécommunications soviétiques Molniya dont le premier fut Kosmos 41 en 1964.

[9] Périgée ≈1 000 km, apogée ≈40 000 km, inclinaison ≈63°, période orbitale ≈12 heures.