Mesurer le niveau de la mer, Jonathan Chenal*


La mesure du niveau de la mer rĂ©pond, historiquement, Ă  plusieurs besoins humains. Aujourd’hui, avec des outils
 de plus en plus performants, elle permet de comprendre le changement climatique et de mener des opĂ©rations avec prĂ©cision.

*Jonathan Chenal est géodésien et doctorant en sciences du climat

Cette mesure rĂ©pond Ă  un ensemble de finalitĂ©s dĂ©terminant les mĂ©thodes et instruments utilisĂ©s. On a ainsi, d’une part, les marĂ©graphes cĂŽtiers, qui mesurent le niveau de la mer depuis la cĂŽte ; d’autre part, des satellites altimĂ©triques, qui le mesurent depuis l’espace. Ces dispositifs sont complĂ©tĂ©s par d’autres techniques qui mesurent spĂ©cifiquement des contributions Ă  la hausse du niveau des mers ou des effets locaux Ă  corriger. Cet article prĂ©sente les mesures locales puis spatiales du niveau de la mer, avant d’aborder les combinaisons de techniques donnant accĂšs Ă  des composantes de la mesure du niveau de la mer.

LA MESURE PAR RAPPORT À LA CÔTE

Les mesures du niveau de la mer rĂ©pondent Ă  des besoins en divers. Pour la navigation, la connaissance du marnage (diffĂ©rence de hauteur d’eau entre marĂ©e haute et marĂ©e basse ainsi que la pĂ©riode de retour des marĂ©es) a constituĂ© une des premiĂšres motivations de ces mesures : la sĂ©rie marĂ©graphique de Brest, par exemple, a plus de trois cents ans. De nos jours, c’est le SHOM qui gĂšre les rĂ©seaux de marĂ©graphes, comme RONIM. Sur le plan international, le service permanent du niveau moyen de la mer PSMSL donne accĂšs aux observations des marĂ©graphes, en particulier du rĂ©seau GLOSS. Les systĂšmes d’alerte aux tsunamis, comme Cenalt en France, gĂ©rĂ© par le CEA, s’appuient aussi sur les marĂ©graphes. Mais une application terrestre a aussi justifiĂ© ces mesures, pour en dĂ©duire un niveau moyen : il s’agit de la nĂ©cessitĂ© d’établir une origine aux rĂ©seaux de nivellement, qui constituent la rĂ©alisation des systĂšmes d’altitudes nationaux. Ainsi, le marĂ©graphe totalisateur de Marseille[1]Voir Progressistes no 14, oct.-nov.-dĂ©c. 2016, qui appartient Ă  l’IGN, a Ă©tĂ© crĂ©Ă© en 1885 Ă  cette fin.

LES MARÉGRAPHES

Longtemps, ils n’ont permis que d’établir de simples Ă©chelles de marĂ©e, sur lesquelles un opĂ©rateur lisait la hauteur de l’eau ; ils ont ensuite Ă©tĂ© mĂ©canisĂ©s pour l’enregistrement de cette hauteur. Les marĂ©graphes modernes ont exploitĂ© le principe d’une mesure acoustique entre un Ă©metteur et la surface de l’eau, et dĂ©sormais celle d’une Ă©mission radar. Les marĂ©graphes mesurent en effet la distance sĂ©parant un point de rĂ©fĂ©rence accrochĂ© Ă  la croĂ»te terrestre de la surface de l’eau : c’est une mesure locale
 et relative : si la croĂ»te s’affaisse ou s’élĂšve, la mesure du niveau de la mer s’en trouve affectĂ©e. Le dĂ©placement vertical de la croĂ»te peut ĂȘtre mesurĂ© par les techniques de la gĂ©odĂ©sie spatiale, en particulier le GNSS, comme le GPS. La correction de son mouvement permet de reconstruire un niveau de la mer « absolu » : est dĂ©terminĂ© un repĂšre stable par rapport auquel est dĂ©finie la position de la station. La gĂ©odĂ©sie spatiale, discipline qui a pour objet l’étude de la forme et des dimensions de la Terre Ă  une Ă©chelle globale[2]Voir Progressistes no 5, juill.-aoĂ»t-sept. 2014, permet d’exprimer la mesure locale du niveau de la mer dans un rĂ©fĂ©rentiel global, en l’occurrence le repĂšre international de rĂ©fĂ©rence terrestre, le ITRF. En France, les marĂ©graphes Ă©quipĂ©s de stations GNSS forment le systĂšme SONEL.

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



Des Flandres Ă  la Camargue, des basses vallĂ©es des fleuves comme la Gironde au Marais poitevin ou Ă  la cĂŽte languedocienne, la hausse du niveau de la mer va entraĂźner des reculs du trait de cĂŽte et des invasions marines, d’abord lors des grandes tempĂȘtes – on pense Ă  Xinthia, qui a ravagĂ© La Faute-sur-Mer –, qui menacent de devenir de plus en plus frĂ©quentes. Comment s’y prĂ©parer ?

La mer affouille les cĂŽtes
et peut détruire habitations
et aménagements cÎtiers.
La cĂŽte aquitaine, ci-dessus,
en est une illustration.

Dispositifs de protection contre
l’avancĂ©e de la mer : Ă©pis
perpendiculaires Ă  la cĂŽte (ici
en Aquitaine) et enrochements.
Ces travaux sont Ă  conforter ou
Ă  recommencer sans cesse.

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



Une autre mĂ©thode de mesure locale du niveau de la mer exploitant les GNSS consiste Ă  capter deux signaux Ă©mis par un satellite : le signal en ligne directe et celui rĂ©flĂ©chi par la surface de la mer. Les marĂ©graphes ne sont pas sans faiblesses. Si leurs mesures du niveau de la mer jouissent du privilĂšge de l’anciennetĂ© – ils ont ainsi permis d’estimer la hausse moyenne du niveau de la mer au XXe siĂšcle entre 1,1 et 1,7 mm/an –, il n’en reste pas moins que, d’une part, leur rĂ©partition Ă  la surface de la Terre est inhomogĂšne, les littoraux de l’hĂ©misphĂšre sud en Ă©tant nettement moins dotĂ©s; et que, d’autre part, le niveau de la mer Ă  la cĂŽte connaĂźt des influences locales importantes (apports d’eau douce, courants de bord, etc.), dont la connaissance est utile pour les amĂ©nagements locaux, mais qui ne sont pas reprĂ©sentatives de ce qui se passe au large. L’altimĂ©trie spatiale, au tournant des annĂ©es 1990, a comblĂ© ce vide.

LA MESURE DEPUIS L’ESPACE

Le dĂ©veloppement de la navigation hauturiĂšre et les progrĂšs de l’ocĂ©ano – graphie ont requis une description exhaustive et homogĂšne de la surface de l’ocĂ©an, qui a Ă©tĂ© permise par les avancĂ©es des techniques spatiales. Il y a toutefois un prĂ©requis fondamental : une mesure prĂ©cise 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 rĂ©pondant Ă  des spĂ©cifications liĂ©es Ă  sa mission, sa trajectoire orbitale est soumise Ă  de nombreuses perturbations (rayonnement solaire, frottement atmosphĂ©rique, irrĂ©gularitĂ©s du champ de pesanteur, etc.), et il faut la recalculer en continu et avec prĂ©cision, ce qui est possible grĂące Ă  un rĂ©seau de balises au sol appelĂ©es DORIS, installĂ©es depuis 1986 par le CNES avec le concours de l’IGN. Les orbites des satellites d’altimĂ©trie ont dĂ©sormais une prĂ©cision centimĂ©trique. L’orbite dĂ©sormais supposĂ©e connue avec prĂ©cision et exprimĂ©e dans l’ITRF, le niveau de la mer peut ĂȘtre mesurĂ© par le satellite si celui-ci Ă©met une onde radar qui se rĂ©flĂ©chit Ă  la surface de la mer ; de la mesure du temps de l’aller-retour de l’onde est dĂ©duite immĂ©diatement la distance qui sĂ©pare le satellite de la surface de l’eau, et par consĂ©quent l’expression du niveau de celle-ci dans l’ITRF. La prĂ©cision de la mesure est de l’ordre du centimĂštre. Le niveau de la mer ainsi mesurĂ© au nadir du satellite, c’est en l’extrapolant Ă  partir des traces du satellite que l’on peut exprimer le niveau de la mer sur toute la surface de l’ocĂ©an. Le passage du satellite de la verticale des surfaces continentales Ă  l’ocĂ©an conduit cependant Ă  des difficultĂ©s pour la mesure spatiale du niveau de la mer sur le littoral : les rĂ©seaux de marĂ©graphes n’ont donc pas Ă©tĂ© rendus caducs par l’altimĂ©trie spatiale. Si les missions d’altimĂ©trie spatiale, depuis Topex-Poseidon en 1992, ou la sĂ©rie des Jason, fonctionnent globalement selon le mĂȘme principe, la mission SWOT, prĂ©vue pour 2021, devrait produire une observation de la surface ocĂ©anique par « fauchĂ©e », et donc grandement amĂ©liorer la rĂ©solution spatiale des phĂ©nomĂšnes observĂ©s.

SchĂ©ma du principe de fonctionnement de l’altimĂ©trie 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 miniÚres adopte déjà une hypothÚse 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 mÚtres.

Les prĂ©mices en sont l’érosion marine du trait de cĂŽte, laquelle recule inexorablement. Et les dĂ©fenses construites Ă  grand frais avec des enrochements sont bien dĂ©risoires… DĂ©jĂ  ici ou lĂ  des bĂątiments jadis bien en retrait surplombent le rivage et doivent ĂȘtre abandonnĂ©s puis dĂ©molis.

En ce qui concerne notre pays, les erreurs d’amĂ©nagements commencent Ă  se voir lors d’évĂ©nements climatiques exceptionnels, comme Ă  La Faute-sur-Mer (VendĂ©e) : l’aire bĂątie dans une zone basse derriĂšre un cordon dunaire a Ă©tĂ© envahie par la mer lors de la tempĂȘte Xinthia causant de nombreux morts. Des zones importantes du territoire mĂ©tropolitain sont Ă  terme menacĂ©es : la Camargue, le littoral languedocien, les rivages de Gironde, le Marais poitevin, les rivages normands ou la baie de Somme et la Flandre maritime.

DĂ©jĂ  les Pays-Bas ont commencĂ© des travaux colossaux pour Ă©lever leurs digues et protĂ©ger une grande partie de leur pays qui est en polder; mais des pays pauvres comme le Bangladesh, dont l’altitude moyenne est infĂ©rieure Ă  1 m, n’ont pas les mĂȘmes moyens et des drames se prĂ©parent : des millions de rĂ©fugiĂ©s climatiques que les pays voisins ne sont pas toujours prĂȘts Ă  accueillir.
Une grande partie de la population française vit sur les cĂŽtes. Il faudra choisir les zones Ă  protĂ©ger et celles Ă  dĂ©laisser. Au-delĂ  des slogans et de l’affichage, les gouvernements seront-ils plus Ă  mĂȘme d’anticiper la crise Ă  venir, d’ouvrir dans la transparence et la responsabilitĂ© un dĂ©bat sur ces enjeux et d’aider les collectivitĂ©s Ă  s’adapter Ă  cette hausse du niveau? Ou bien les calculs de spĂ©culateurs immobiliers Ă  la courte vue dicteront-ils les dĂ©cisions? 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’ocĂ©an tĂ©moigne de nombreux phĂ©nomĂšnes ocĂ©aniques. Ainsi les courants, en particulier les grands courants Ă  l’ouest des bassins ocĂ©aniques (comme le Gulf Stream le long de la cĂŽte est des États-Unis, ou le courant Kuroshivo au niveau du Japon), sont-ils tout Ă  fait visibles par altimĂ©trie, comme les tourbillons de mĂ©so-Ă©chelle (quelques centaines de kilomĂštres), les diverses formes d’ondes qui traversent les ocĂ©ans (par exemple les ondes de Rossby), ainsi que les vagues des tsunamis. Les phĂ©nomĂšnes tĂ©moignant de la variabilitĂ© interne du climat sont aussi observables par altimĂ©trie, comme El Niño, dans l’ocĂ©an Pacifique. Ce phĂ©nomĂšne survient lorsque les alizĂ©s, 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 PĂ©rou. Enfin, l’altimĂ©trie spatiale a permis la mise en Ă©vidence d’une tendance globale Ă  la hausse du niveau de la mer de prĂšs de 3,3 mm/an depuis 1992, qui est une des principales consĂ©quences 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’élĂšve parce que les ocĂ©ans recueillent l’eau de fonte des glaciers continentaux et des calottes polaires, Ă  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 ocĂ©ans 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 Ă©tant limitĂ©es, 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 difficultĂ©. La reconstitution des variations de volume des glaciers par stĂ©rĂ©ographie Ă  partir de sĂ©ries temporelles d’images permet d’évaluer les volumes de glace perdus par les glaciers, et donc gagnĂ©s par l’ocĂ©an (dĂ©duction faite des rĂ©serves dans les barrages). La gravimĂ©trie, qui mesure les variations du champ de pesanteur (comme le fait la mission spatiale GRACE), donne aussi accĂšs aux transferts de masse liĂ©s au changement climatique, notamment les pertes de glaces continentales.

L’ocĂ©an est aussi soumis Ă  une dilatation thermique. Les mesures anciennes de tempĂ©ratures Ă  diverses profondeurs permettent d’évaluer le rĂ©chauffement sĂ©culaire de l’ocĂ©an ainsi que sa dilatation, appelĂ©e « contribution stĂ©rique ». Ces mesures Ă©taient toutefois Ă©parses et peu profondes (jusqu’à 700 m). Le systĂšme Argo, qui consiste en plusieurs milliers de profileurs dĂ©rivants, permet de mesurer plusieurs grandeurs physiques, comme la tempĂ©rature et la salinitĂ©, jusqu’à 2 000 m de profondeur. La dilatation de la colonne d’eau peut enfin ĂȘtre envisagĂ©e comme la diffĂ©rence entre la hausse totale du niveau de la mer et celle liĂ©e Ă  la variation de masse de l’ocĂ©an, dont on a vu plus haut le principe de la mesure. La connaissance de l’ocĂ©an, pour des besoins opĂ©rationnels comme pour la comprĂ©hension du changement climatique, a conduit la mesure du niveau de la mer Ă  des progrĂšs rĂ©volutionnaires au cours des derniĂšres dĂ©cennies. Les systĂšmes d’observations actuels mĂ©ritent toutefois d’ĂȘtre pĂ©rennisĂ©s et intĂ©grĂ©s au sein de systĂšmes visant une vision et une comprĂ©hension globales. La France, pionniĂšre en la matiĂšre, continue d’y jouer un rĂŽle 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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