Le radar au service de l'étude des glaciers

Avec la brume qui masque le soleil et les puissantes rafales de vent qui soulèvent des flocons de neige, tout se fond dans un flou blanc. Le soleil est peut-être caché, mais son éblouissement intense oblige à plisser les yeux. Sans lunettes de soleil, il est presque impossible de voir.

Désireux de profiter d'une soudaine accalmie du vent, Marcel Štefko et Esther Mas i Sanzles  s'empressent d'aider leur professeure, Irena Hajnsek, à installer deux antennes radar. Les emplacements choisis se trouvent trois étages au-dessus de leur logement dans la station de recherche de haute altitude Jungfraujoch, l'un sur la terrasse supérieure, l'autre sur la terrasse inférieure. Les chercheuses et le chercheur ont passé toute la matinée à attendre que le temps s'éclaircisse - et il n'y a pas de temps à perdre.

Le glacier d'Aletsch est quelque part dans l'éblouissement blanc en dessous, mais on n'en voit pas la moindre trace. «Heureusement, ce n'est pas un problème pour le radar ! Il peut voir le glacier à travers n'importe quel brouillard ou nuage», explique Marcel Štefko. Tout en parlant, il connecte l'antenne radar à un ordinateur, qui est soigneusement rangé dans une boîte en plastique jaune pour le protéger de la neige et de la glace. «Les vents forts ne sont pas une bonne nouvelle», ajoute-t-il. «Ils font osciller les antennes, ce qui peut réduire la précision de nos mesures.

Mesure de la perte de glace

Depuis plusieurs années, les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich se rendent à la station de recherche de haute altitude Jungfraujoch pour étudier la partie supérieure du glacier d'Aletsch à l'aide de diverses technologies et systèmes radar. Ces visites servent également à développer de nouvelles méthodes et à collecter des données de référence pour les systèmes radar satellitaires.

Les scientifiques utilisent ces données à diverses fins, notamment pour créer des cartes topographiques appelées modèles numériques d'élévation. Sur la base de ces représentations de la surface terrestre, les chercheurs et chercheuses peuvent déterminer l'épaisseur du glacier d'Aletsch et calculer le recul du glacier au fil du temps.

«Les données radar montrent clairement que l'épaisseur du glacier a fortement diminué au cours des dernières années, à un rythme moyen de 2,5 mètres par an», explique Irena Hajnsek, spécialiste de la télédétection.

Même si la glace ne se déplaçait que de quelques millimètres, les systèmes radar de l'ETH Zurich seraient suffisamment sensibles pour la détecter. «Nos mesures montrent que le glacier se déplace à un rythme de 8 à 12 millimètres par heure, soit entre 20 et 30 centimètres par jour», explique Esther Mas i Sanz, doctorante qui en est à sa troisième campagne de mesure au Jungfraujoch. Mais ce chiffre varie considérablement d'un endroit à l'autre : ici, au sommet du glacier, la glace se déplace encore relativement lentement, mais dans d'autres parties non couvertes par le radar, le glacier d'Aletsch glisse vers la vallée à une vitesse moyenne de 80 centimètres par jour.

La fonte des glaciers n'est qu'un des sujets étudiés par les scientifiques. Ils et elles développent également de nouvelles méthodes radar pour mesurer directement l'épaisseur du manteau neigeux. Traditionnellement, il s'agit d'une tâche manuelle : le moyen le plus fiable de calculer l'épaisseur de la neige consiste à grimper sur le glacier et à enfoncer une longue sonde dans la neige. Toutefois, compte tenu du grand nombre de crevasses dans la partie supérieure de la coulée de glace, cette opération peut s'avérer risquée.

Amélioration de la télédétection

De retour dans leur salle de contrôle improvisée, Irena Hajnsek et Esther Mas i Sanz regardent par-dessus l'épaule de Marcel Štefko qui ouvre l'ordinateur portable. Il est impatient de savoir si les données reçues sont exploitables. Massant ses doigts gelés, il tape quelques commandes et ouvre ce qui ressemble à une image d'échographie médicale.

L'écran affiche des plages de noir et de blanc, ainsi que des zones floues avec des pixels colorés isolés. «C'est une crevasse dans le glacier», explique Marcel Štefko en montrant un sillon. «La zone noire est l'ombre du radar, et la zone blanche est l'endroit où le faisceau est fortement réfléchi, ce qui explique sa luminosité.» Les zones grises indiquent les endroits où la neige, en fonction de ses caractéristiques spécifiques, réfléchit les faisceaux radar.

L'étude détaillée de la cryosphère autour du Jungfraujoch n'est pas le seul objectif de ce projet de radar. Les scientifiques espèrent également que les données recueillies au sol permettront d'améliorer la télédétection radar par satellite.

C'est Irena Hajnsek qui a établi ce lien avec la télédétection par satellite. Elle participe actuellement à la conception et à la planification de plusieurs missions radar européennes et, avant de rejoindre l'ETH Zurich, elle était responsable de la coordination scientifique de la mission TanDEM-X, opérée par le Centre aérospatial allemand (DLR). L'objectif de cette mission était de générer une carte topographique à haute résolution de l'ensemble de la surface terrestre à l'aide de mesures radar. Le DLR a lancé le premier satellite de la mission en 2007, et le second trois ans plus tard.

Les satellites jumeaux - chacun équipé d'un système radar - volent dans une formation en forme d'hélice lorsqu'ils sont en orbite autour de la Terre. Les experts parlent de configuration radar bistatique, et les données qu'elle fournit ont permis aux chercheuses et chercheurs du DLR de créer des modèles numériques d'élévation tridimensionnels à haute résolution.

Bien que TanDEM-X ait depuis longtemps atteint son objectif, la mission est toujours opérationnelle. Les satellites jumeaux continuent d'orbiter autour de la Terre, détectant les changements dans l'utilisation des sols, tels que la déforestation. Une fois tous les 11 jours, TanDEM-X passe également au-dessus de la région de la Jungfrau, qui figure sur la liste des super sites de test du DLR. L'objectif est d'effectuer des mesures régulières pendant plusieurs années et d'enregistrer ainsi l'évolution de ces zones en pleine mutation.

Au cours des dernières années, Irena Hajnsek et ses collègues ont mis au point un système radar au sol appelé KAPRI, qui simule la configuration radar bistatique de TanDEM-X et fournit de nouvelles données qui aideront les scientifiques à préparer les futures missions bistatiques.

«Le radar au sol est une méthode rapide pour recueillir un grand nombre de données sur une zone spécifique et peut être installé presque n'importe où, à condition que l'emplacement soit surélevé», explique-t-elle. L'inconvénient, reconnaît-elle, est que le système radar ne peut couvrir qu'une petite zone, alors que les radars satellitaires couvrent la Terre entière. «Mais comme nous savons exactement ce que nous recherchons avec nos systèmes radar, il nous est plus facile d'interpréter les données que nous recueillons et de les attribuer avec précision à une partie spécifique de la surface de la Terre. Cela nous aide à mieux interpréter les données que nous recevons de l'espace», ajoute-t-elle.

Un site d'essai parfait

Il a fallu plus d'une heure aux trois scientifiques pour installer les deux systèmes radar sur chaque terrasse. Irena Hajnsek se tient à côté du système radar de la terrasse inférieure, protégée des éléments par des lunettes de glacier, des gants épais et des bottes d'hiver doublées de peau de mouton. En étirant les bras, elle trace un cercle de 60 degrés : «C'est la partie du terrain que le radar va capter», dit-elle.

La vue d'ici englobe une grande partie de la partie supérieure du glacier d'Aletsch et se prolonge bien au-delà de la Konkordiaplatz, où quatre doigts du glacier se rejoignent. Il serait impossible de mener des recherches ici sans l'accès à la superbe infrastructure de la station de recherche de haute altitude. Elle fournit tout ce dont les scientifiques ont besoin, notamment une alimentation électrique fiable fournie par les Chemins de fer de la Jungfrau, le Wi-Fi, des logements confortables avec une cuisine entièrement équipée et une vue imprenable sur le glacier. Les scientifiques ont également un accès direct au glacier par un tunnel, ce qui leur permet de prélever des échantillons de neige et de glace et d'installer des réflecteurs d'angle, qui servent à calibrer les systèmes radar.

«Le Jungfraujoch est l'environnement d'essai idéal pour notre projet. Nous avons beaucoup de chance d'avoir toute cette infrastructure à notre disposition», déclare Irena Hajnsek, manifestement reconnaissante de tout le soutien qu'elle et ses collègues ont reçu ici.

Radar mobile au sol

Le soleil a enfin percé et chassé la plupart des nuages, mais le thermomètre reste obstinément à moins 12 degrés Celsius et le vent glacial souffle sans relâche. Marcel Štefko a démonté l'une des antennes à faisceau et la transporte avec précaution jusqu'à la réserve située à côté de la salle de contrôle. «La règle veut que nous démontions les antennes radar 40 minutes avant le coucher du soleil», explique-t-il. Pour défaire les délicates vis de fixation, il doit enlever ses gants, ce qui ne lui permet pas d'échapper à la froideur des doigts.

Marcel Štefko et Esther Mas i Sanz y resteront encore dix jours pour prendre d'autres mesures avant que la campagne de printemps ne se termine à la mi-mars. La prochaine campagne est prévue pour l'été. Marcel Štefko a mis au point un nouveau système qu'il espère perfectionner. L'un des deux radars se déplace lentement le long d'un rail, de droite à gauche. Ce système simule le mouvement relatif des deux satellites TanDEM-X. Au fur et à mesure qu'ils se déplacent sur leur orbite, la variation de la distance qui les sépare a une influence majeure sur les signaux radar reçus. Les scientifiques espèrent que leur radar sur rail révélera l'importance de cet effet.

Lors de la campagne de mesure du mois de mars, il et elle ont assemblé et testé le système à plusieurs reprises. Mais la neige et le froid ont posé des problèmes inattendus. «L'équipement que nous utilisons n'est pas conçu pour des conditions aussi difficiles. Nous avons dû procéder à quelques modifications techniques pour le faire fonctionner ici», explique Marcel Štefko. «Nous améliorons constamment la technologie et notre prochaine tâche consiste à traiter et à analyser les données afin de déterminer la direction à prendre pour nos prochaines mesures.» Les chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich sont déterminées à percer les secrets de la cryosphère qui ont jusqu'à présent échappé à la vue du radar - et ils et elles continueront à escalader ces sommets glacés jusqu'à y parvenir.