Pour comprendre et voir l’évolution de ressources en eau, un enjeu majeur de notre société, il faut les mesurer et cela, on s’en doute, n’est pas simple. Depuis quelques années, le développement de certains satellites permet de mesurer les stocks d’eau depuis l’espace.
Les satellites effectuent toute une série de mesures depuis l’espace et certaines de ces mesures sont utilisées pour connaître les ressources en eau sur la Terre. Ainsi, on mesure l’humidité des sols grâce aux micro-ondes naturellement émises par les sols. Ces rayons traversent les nuages, ce qui permet de faire cette mesure même lorsque le ciel est couvert ou qu’il y a des précipitations. Comme on le voit sur la Fig.1 montrant une image du satellite SMAP.
Cependant ce satellite ne mesure que les quelques premiers centimètres de terre. Cela ne donne donc pas d’information sur les eaux souterraines par exemple.
On utilise également l’altimétrie pour mesurer la hauteur des lacs ou des réservoirs, en particulier dans les endroits où il y a peu ou pas de mesures in situ. On peut ainsi avoir une estimation des changements des stocks d’eau.
On utilise aussi les changements du champ de gravité, mesurés par exemple avec les satellites de la mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). (Fig. 2).
Le principe général est de mesurer les anomalies du champ de gravité de la Terre qui varient dans le temps en fonction de l’évolution des masses d’eau, qu’elles soient à l’état liquide (lacs, eaux souterraines) ou solide (glaciers). Le cycle de l'eau et la circulation atmosphérique redistribuent continuellement d'énormes quantités de d'eau autour du globe, ce qui entraîne des changements locaux et très faibles de l'attraction gravitationnelle de la Terre. Ces changements sont de l'ordre de 10^-8 m s^-2, ce qui est un milliard de fois plus petit que la valeur moyenne de g=9,81 m s^-2. De tels changements sont néanmoins suffisamment importants pour influencer les orbites des satellites, en particulier lorsqu'ils ont une altitude relativement basse (c'est-à-dire initialement 500 km pour les satellites GRACE).
Une région de la terre ayant une masse plus importante que la moyenne, par exemple suite à de très fortes pluies, produit une force de gravité plus forte à cet endroit. Cela entraîne des variations mineures dans le comportement du satellite qui survole cette zone : il subit une attraction gravitationnelle plus forte lorsqu'il s'approche de la zone, ce qui entraîne une accélération le long de la trajectoire, suivie d'une décélération immédiatement après le passage de la zone. Dans les situations où la masse d'eau est insuffisante (par exemple pendant une sécheresse), le comportement inverse est observé et la décélération le long de la trajectoire est suivie d'une accélération.
La première mission satellite GRACE a utilisé une paire de satellites jumeaux, le premier se trouvant à environ 220 km devant l'autre. La variation de la distance entre les deux engins spatiaux est mesurée en continu à l'aide d'un radar avec une précision d'environ 1 μm par seconde. C’est comme mesurer la distance entre Lausanne et Milan avec une précision équivalente à l’épaisseur d’un globule rouge humain. Ces variations du comportement orbital des deux satellites sont ensuite utilisées pour déduire les changements de masse à la surface de la Terre.
Après avoir retravaillé les données (il faut enlever les changements de masses qui sont liés à l’atmosphère ou aux marées par exemple), on obtient des images permettant de monitorer les changements de ressources en eau sur l’ensemble de la terre. On peut ainsi surveiller les changements qui ont touché l’ensemble du cycle de l’eau, y compris l’eau souterraine, puisqu’on mesure la masse. Cette méthode ne permet toutefois de détecter que les changements de masse importants se produisant sur une grande échelle spatiale (c’est-à-dire sur au moins 3 à 4 fois la superficie de la Suisse)
Par exemple, on peut voir sur l’image ci-dessous (Fig. 3) de novembre 2012 la fonte de la glace dans la région du Groenland, la diminution des eaux souterraines utilisées pour l’agriculture ou l’industrie dans le Nord-Ouest de l’Inde, et aussi la réduction du niveau de la mer Caspienne. On voit également la variabilité naturelle liée aux saisons, avec par exemple un fort gain de masse au terme de la mousson en Afrique de l’Ouest.
Les changements des stocks d’eau (observés par les satellites) ont donc plusieurs causes, c’est un mélange des impacts du changement climatique, de la gestion des ressources en eau et de la variabilité naturelle.
Ces mesures par satellite, disponibles depuis 2002, sont utilisées pour la région des Alpes européennes pour voir l’évolution des masses d’eau et essayer de déterminer quels types de changements sont à l’œuvre.
Selon les données mesurées par les satellites de GRACE (Fig. 4), la région des Alpes voit son stock total d’eau varier sensiblement au cours des saisons, avec une tendance à la baisse sur le long terme. En général, le stock total est le plus faible en automne. En hiver les précipitations plus abondantes et l’accumulation de neige en altitude causent une augmentation du stock qui atteint son maximum au printemps. L’été est marqué par une forte réduction du stock, particulièrement prononcée lors d’années très sèches et chaudes comme lors des étés 2003, 2015 ou 2022.
Après correction des changements liés à la variabilité des précipitations, le changement résiduel à long terme est de l’ordre -19 km3/décennie et est principalement attribuable à la fonte des glaciers.
Ce résultat est d’ailleurs tout à fait cohérent avec les études menées sur le terrain par les glaciologues qui indiquent une perte de masse pour l’ensemble des glaciers alpins de l’ordre de -13 à -20 km3/décennie soit environ le volume du Lac de Zurich perdu tous les 2 à 3 ans.