Mesurer le niveau de la mer, Jonathan Chenal*


La mesure du niveau de la mer répond, historiquement, à plusieurs besoins humains. Aujourd’hui, avec des outils
 de plus en plus performants, elle permet de comprendre le changement climatique et de mener des opérations avec précision.

*Jonathan Chenal est géodésien et doctorant en sciences du climat

Cette mesure répond à un ensemble de finalités déterminant les méthodes et instruments utilisés. On a ainsi, d’une part, les marégraphes côtiers, qui mesurent le niveau de la mer depuis la côte ; d’autre part, des satellites altimétriques, qui le mesurent depuis l’espace. Ces dispositifs sont complétés par d’autres techniques qui mesurent spécifiquement des contributions à la hausse du niveau des mers ou des effets locaux à corriger. Cet article présente les mesures locales puis spatiales du niveau de la mer, avant d’aborder les combinaisons de techniques donnant accès à des composantes de la mesure du niveau de la mer.

LA MESURE PAR RAPPORT À LA CÔTE

Les mesures du niveau de la mer répondent à des besoins en divers. Pour la navigation, la connaissance du marnage (différence de hauteur d’eau entre marée haute et marée basse ainsi que la période de retour des marées) a constitué une des premières motivations de ces mesures : la série marégraphique de Brest, par exemple, a plus de trois cents ans. De nos jours, c’est le SHOM qui gère les réseaux de marégraphes, comme RONIM. Sur le plan international, le service permanent du niveau moyen de la mer PSMSL donne accès aux observations des marégraphes, en particulier du réseau GLOSS. Les systèmes d’alerte aux tsunamis, comme Cenalt en France, géré par le CEA, s’appuient aussi sur les marégraphes. Mais une application terrestre a aussi justifié ces mesures, pour en déduire un niveau moyen : il s’agit de la nécessité d’établir une origine aux réseaux de nivellement, qui constituent la réalisation des systèmes d’altitudes nationaux. Ainsi, le marégraphe totalisateur de Marseille[1]Voir Progressistes no 14, oct.-nov.-déc. 2016 , qui appartient à l’IGN, a été créé en 1885 à cette fin.

LES MARÉGRAPHES

Longtemps, ils n’ont permis que d’établir de simples échelles de marée, sur lesquelles un opérateur lisait la hauteur de l’eau ; ils ont ensuite été mécanisés pour l’enregistrement de cette hauteur. Les marégraphes modernes ont exploité le principe d’une mesure acoustique entre un émetteur et la surface de l’eau, et désormais celle d’une émission radar. Les marégraphes mesurent en effet la distance séparant un point de référence accroché à la croûte terrestre de la surface de l’eau : c’est une mesure locale… et relative : si la croûte s’affaisse ou s’élève, la mesure du niveau de la mer s’en trouve affectée. Le déplacement vertical de la croûte peut être mesuré par les techniques de la géodésie spatiale, en particulier le GNSS, comme le GPS. La correction de son mouvement permet de reconstruire un niveau de la mer « absolu » : est déterminé un repère stable par rapport auquel est définie la position de la station. La géodésie spatiale, discipline qui a pour objet l’étude de la forme et des dimensions de la Terre à une échelle globale[2]Voir Progressistes no 5, juill.-août-sept. 2014 , permet d’exprimer la mesure locale du niveau de la mer dans un référentiel global, en l’occurrence le repère international de référence terrestre, le ITRF. En France, les marégraphes équipés de stations GNSS forment le système SONEL.

HAUSSE DU NIVEAU DES MERS : LE RECUL DU TRAIT DE CÔTE



Des Flandres à la Camargue, des basses vallées des fleuves comme la Gironde au Marais poitevin ou à la côte languedocienne, la hausse du niveau de la mer va entraîner des reculs du trait de côte et des invasions marines, d’abord lors des grandes tempêtes – on pense à Xinthia, qui a ravagé La Faute-sur-Mer –, qui menacent de devenir de plus en plus fréquentes. Comment s’y préparer ?

La mer affouille les côtes
et peut détruire habitations
et aménagements côtiers.
La côte aquitaine, ci-dessus,
en est une illustration.

Dispositifs de protection contre
l’avancée de la mer : épis
perpendiculaires à la côte (ici
en Aquitaine) et enrochements.
Ces travaux sont à conforter ou
à recommencer sans cesse.

La Faute-sur-Mer : la tempête
Xinthia (2010) a fait plus
de vingt morts parmi
les occupants des pavillons
construits dans une zone
basse…


Une autre méthode de mesure locale du niveau de la mer exploitant les GNSS consiste à capter deux signaux émis par un satellite : le signal en ligne directe et celui réfléchi par la surface de la mer. Les marégraphes ne sont pas sans faiblesses. Si leurs mesures du niveau de la mer jouissent du privilège de l’ancienneté – ils ont ainsi permis d’estimer la hausse moyenne du niveau de la mer au XXe siècle entre 1,1 et 1,7 mm/an –, il n’en reste pas moins que, d’une part, leur répartition à la surface de la Terre est inhomogène, les littoraux de l’hémisphère sud en étant nettement moins dotés; et que, d’autre part, le niveau de la mer à la côte connaît des influences locales importantes (apports d’eau douce, courants de bord, etc.), dont la connaissance est utile pour les aménagements locaux, mais qui ne sont pas représentatives de ce qui se passe au large. L’altimétrie spatiale, au tournant des années 1990, a comblé ce vide.

LA MESURE DEPUIS L’ESPACE

Le développement de la navigation hauturière et les progrès de l’océano – graphie ont requis une description exhaustive et homogène de la surface de l’océan, qui a été permise par les avancées des techniques spatiales. Il y a toutefois un prérequis fondamental : une mesure précise du niveau de la mer par satellite n’est possible qu’à condition de disposer d’une connaissance fine de la position du satellite orbitant autour de la Terre. Bien que répondant à des spécifications liées à sa mission, sa trajectoire orbitale est soumise à de nombreuses perturbations (rayonnement solaire, frottement atmosphérique, irrégularités du champ de pesanteur, etc.), et il faut la recalculer en continu et avec précision, ce qui est possible grâce à un réseau de balises au sol appelées DORIS, installées depuis 1986 par le CNES avec le concours de l’IGN. Les orbites des satellites d’altimétrie ont désormais une précision centimétrique. L’orbite désormais supposée connue avec précision et exprimée dans l’ITRF, le niveau de la mer peut être mesuré par le satellite si celui-ci émet une onde radar qui se réfléchit à la surface de la mer ; de la mesure du temps de l’aller-retour de l’onde est déduite immédiatement la distance qui sépare le satellite de la surface de l’eau, et par conséquent l’expression du niveau de celle-ci dans l’ITRF. La précision de la mesure est de l’ordre du centimètre. Le niveau de la mer ainsi mesuré au nadir du satellite, c’est en l’extrapolant à partir des traces du satellite que l’on peut exprimer le niveau de la mer sur toute la surface de l’océan. Le passage du satellite de la verticale des surfaces continentales à l’océan conduit cependant à des difficultés pour la mesure spatiale du niveau de la mer sur le littoral : les réseaux de marégraphes n’ont donc pas été rendus caducs par l’altimétrie spatiale. Si les missions d’altimétrie spatiale, depuis Topex-Poseidon en 1992, ou la série des Jason, fonctionnent globalement selon le même principe, la mission SWOT, prévue pour 2021, devrait produire une observation de la surface océanique par « fauchée », et donc grandement améliorer la résolution spatiale des phénomènes observés.

Schéma du principe de fonctionnement de l’altimétrie spatiale.
Source : Aviso/CNES

ÉROSION LITTORALE ET RECUL DES CÔTES



Avec le réchauffement climatique global, la hausse du niveau des mers est inéluctable. Le Bureau de recherches géologiques et minières adopte déjà une hypothèse à plus de 1 m. Or, dans un passé géologique pas si ancien, la calotte glaciaire du Groenland a fondu, il en a résulté une hausse du niveau de plusieurs mètres.

Les prémices en sont l’érosion marine du trait de côte, laquelle recule inexorablement. Et les défenses construites à grand frais avec des enrochements sont bien dérisoires… Déjà ici ou là des bâtiments jadis bien en retrait surplombent le rivage et doivent être abandonnés puis démolis.

En ce qui concerne notre pays, les erreurs d’aménagements commencent à se voir lors d’événements climatiques exceptionnels, comme à La Faute-sur-Mer (Vendée) : l’aire bâtie dans une zone basse derrière un cordon dunaire a été envahie par la mer lors de la tempête Xinthia causant de nombreux morts. Des zones importantes du territoire métropolitain sont à terme menacées : la Camargue, le littoral languedocien, les rivages de Gironde, le Marais poitevin, les rivages normands ou la baie de Somme et la Flandre maritime.

Déjà les Pays-Bas ont commencé des travaux colossaux pour élever leurs digues et protéger une grande partie de leur pays qui est en polder; mais des pays pauvres comme le Bangladesh, dont l’altitude moyenne est inférieure à 1 m, n’ont pas les mêmes moyens et des drames se préparent : des millions de réfugiés climatiques que les pays voisins ne sont pas toujours prêts à accueillir.
Une grande partie de la population française vit sur les côtes. Il faudra choisir les zones à protéger et celles à délaisser. Au-delà des slogans et de l’affichage, les gouvernements seront-ils plus à même d’anticiper la crise à venir, d’ouvrir dans la transparence et la responsabilité un débat sur ces enjeux et d’aider les collectivités à s’adapter à cette hausse du niveau? Ou bien les calculs de spéculateurs immobiliers à la courte vue dicteront-ils les décisions? Il s’agit d’un enjeu citoyen dans lequel chacun de nous est acteur.

CE QU’APPORTE LA MESURE DES NIVEAUX DE LA MER

La surface de l’océan témoigne de nombreux phénomènes océaniques. Ainsi les courants, en particulier les grands courants à l’ouest des bassins océaniques (comme le Gulf Stream le long de la côte est des États-Unis, ou le courant Kuroshivo au niveau du Japon), sont-ils tout à fait visibles par altimétrie, comme les tourbillons de méso-échelle (quelques centaines de kilomètres), les diverses formes d’ondes qui traversent les océans (par exemple les ondes de Rossby), ainsi que les vagues des tsunamis. Les phénomènes témoignant de la variabilité interne du climat sont aussi observables par altimétrie, comme El Niño, dans l’océan Pacifique. Ce phénomène survient lorsque les alizés, ces vents tropicaux soufflant vers l’ouest, faiblissent ; les eaux chaudes de surface, qu’ils poussent habituellement vers l’ouest, reviennent vers l’est et s’établissent au niveau du Pérou. Enfin, l’altimétrie spatiale a permis la mise en évidence d’une tendance globale à la hausse du niveau de la mer de près de 3,3 mm/an depuis 1992, qui est une des principales conséquences du changement climatique.

En bleu : le niveau de la mer global moyen mesuré par altimétrie spatiale; en vert : contribution du gain de masse des océans à la hausse du niveau de la mer, mesuré par GRACE; en rouge : contribution de la dilatation thermique des océans, mesuré par Argo; en noir pointillé : somme des deux précédentes contributions.
Source : 5e rapport du GIEC, chapitre 13. Cambridge University Press, Cambridge, Royaume-Uni et New York, États-Unis).

LA MESURE DES CONTRIBUTIONS DE LA HAUSSE TENDANCIELLE DU NIVEAU DE LA MER

Le niveau de la mer s’élève parce que les océans recueillent l’eau de fonte des glaciers continentaux et des calottes polaires, à hauteur de 1,8 mm/an, ainsi qu’en raison de la dilatation de l’eau de mer, pour 1,4 mm/an. La masse des océans varie selon la fonte ou l’extension des glaciers et des calottes polaires ; elle constitue donc un indicateur de l’état du climat. Les mesures in situ étant limitées, il est difficile d’extrapoler aux 200000 glaciers du monde les mesures faites sur quelques centaines d’entre eux. Cela dit, les mesures spatiales permettent de combler cette difficulté. La reconstitution des variations de volume des glaciers par stéréographie à partir de séries temporelles d’images permet d’évaluer les volumes de glace perdus par les glaciers, et donc gagnés par l’océan (déduction faite des réserves dans les barrages). La gravimétrie, qui mesure les variations du champ de pesanteur (comme le fait la mission spatiale GRACE), donne aussi accès aux transferts de masse liés au changement climatique, notamment les pertes de glaces continentales.

L’océan est aussi soumis à une dilatation thermique. Les mesures anciennes de températures à diverses profondeurs permettent d’évaluer le réchauffement séculaire de l’océan ainsi que sa dilatation, appelée « contribution stérique ». Ces mesures étaient toutefois éparses et peu profondes (jusqu’à 700 m). Le système Argo, qui consiste en plusieurs milliers de profileurs dérivants, permet de mesurer plusieurs grandeurs physiques, comme la température et la salinité, jusqu’à 2 000 m de profondeur. La dilatation de la colonne d’eau peut enfin être envisagée comme la différence entre la hausse totale du niveau de la mer et celle liée à la variation de masse de l’océan, dont on a vu plus haut le principe de la mesure. La connaissance de l’océan, pour des besoins opérationnels comme pour la compréhension du changement climatique, a conduit la mesure du niveau de la mer à des progrès révolutionnaires au cours des dernières décennies. Les systèmes d’observations actuels méritent toutefois d’être pérennisés et intégrés au sein de systèmes visant une vision et une compréhension globales. La France, pionnière en la matière, continue d’y jouer un rôle de premier plan.

1. Voir Progressistes no 14, oct.-nov.-déc. 2016
2. Voir Progressistes no 5, juill.-août-sept. 2014

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