ADM-Aeolus (sigle de et Éole, dieu du vent, en latin) est un satellite d'observation de la dynamique de l'atmosphère terrestre mis en œuvre par l'Agence spatiale européenne. Le satellite a été placé en orbite le et sa mission s'est achevée le . ADM-Aeolus a été sélectionnée en 1999 comme une des deux missions phares du programme Living Planet. La mission a permis de valider une technique expérimentale par lidar ultraviolet pour mesurer les vents en altitude. Aussi l'Agence spatiale européenne a décidé fin 2022 de développer un successeur baptisé Aeolus-2.

ADM-Aeolus, qui circulait sur une orbite héliosynchrone à d'altitude, a fourni des profils du vent entre le sol et d'altitude. Ceux-ci ont été utilisés pour améliorer les modèles de prévisions météorologiques qui, dans ce domaine, disposent d'informations très parcellaires en particulier pour les vents en altitude. Les météorologistes attendaient que ces données permettent une amélioration des prévisions moyen terme atteignant 15 % aux latitudes tropicales.

Pour collecter ces données, le satellite de embarque un lidar utilisant un laser ultraviolet, baptisé Aladin, qui mesure par effet Doppler le déplacement des particules et des molécules dans les différentes strates de l'atmosphère. La technique de mesure utilisée, qui a nécessité une très longue phase de mise au point, constitue une première. Elle a été validée dans le cadre de cette mission.

Contexte

Le vent est, avec la température, la pression et l'humidité, une des variables qui décrivent l'état de l'atmosphère. Pour effectuer des prévisions météorologiques à court et long terme, il est nécessaire de disposer d'observations sur la direction et la force de celui-ci. La mesure du vent est effectuée aujourd'hui par des stations terrestres mais l'information n'est généralement disponible que pour une partie de l'hémisphère nord dans les zones situées au nord des Tropiques. Seule une observation depuis l'espace permettrait d'obtenir une couverture suffisante.

Dans cette optique, plusieurs techniques de mesure des profils de vent ont été évaluées. Les chercheurs ont conclu que seul un système optique de type lidar permettrait d'obtenir l'information recherchée avec une précision suffisante. L'application de cette technique à la mesure du vent a été étudiée pour la première fois par la NASA dans les années 1980 puis par la suite par différentes agences européennes. Néanmoins l'obtention de données exploitables par cette technique est considérée à cette époque comme extrêmement difficile et ce n'est que dans la deuxième moitié des années 1990 qu'une mission spatiale destinée à valider ce procédé commence à être envisagée par l'Agence spatiale européenne.

Développement du projet

En 1999 ADMabréviation de Atmospheric Dynamics Mission c'est-à-dire Mission de dynamique atmosphérique, rebaptisée par la suite Aeolusen latin Éole, dieu du vent des romains), mettant en œuvre cette nouvelle technologie, est sélectionnée par l'Agence spatiale européenne comme une des deux premières missions pivot de son nouveau programme Living Planet. Celui-ci regroupe les missions destinées à l'observation de la Terre depuis l'espace. Au sein de ce programme ADM-Aeolus est classée comme mission scientifique () par opposition aux missions plus opérationnelles () qui comprennent principalement les satellites Sentinel. À l'époque il est prévu que le satellite soit placé en orbite en . Les premiers travaux destinés à vérifier la faisabilité de la technique très innovante utilisée pour mesurer la vitesse du vent (lidar ultraviolet) remontent en fait aux années 1980. En 2003, la construction du satellite est confiée à EADS Astrium Satellites, devenu en 2013 Airbus DS. L'établissement anglais assemble le satellite tandis que l'établissement de Toulouse a la responsabilité du développement de l'unique instrument embarqué Aladin. La société italienne Galileo Avionica est à la tête du consortium produisant le laser ultraviolet utilisé par Aladin. Le satellite envisagé en 2000 avait une masse de , un télescope de de diamètre et des panneaux solaires fournissant . Ces chiffres sont révisés, car du fait de son orbite basse, le satellite subit une trainée générée par l'atmosphère résiduelle qui doit être régulièrement compensée par les moteurs. Il faut doubler la quantité d'ergols emportée par rapport à la version de départ. Par ailleurs le nombre de photons renvoyés par l'atmosphère impose à la fois une augmentation de puissance du laser et donc de la surface des panneaux solaires produisant l'énergie nécessaire et de la taille du télescope dont le diamètre est porté à . La forme du baffle qui protège le télescope est revue pour réduire la trainée. L'ensemble de ces modifications porte la masse du satellite à .

La mise au point de l'instrument Aladin, qui repose sur une technique jamais mise en œuvre de manière opérationnelle en orbite, bute sur de nombreux problèmes. Un des obstacles à la mise au point de l'instrument était qu'initialement les technologies autour du laser ultraviolet étaient couvertes par le secret défense car utilisées pour le développement des bombes atomiques. Il a fallu d'abord trouver des diodes générant le faisceau laser ultraviolet dont la durée de vie soit compatible avec les objectifs à la mission (mesures effectuées sur une période de ). Mais une fois ces diodes disponibles des tests réalisés en simulant le vide spatial ont mis en évidence que les éléments optiques traversés par le rayon laser se dégradaient progressivement. Le faisceau laser à haute énergie soumet l'optique à des températures très élevées () qui, en l'absence d'atmosphère, obscurcissent progressivement leur surface. Il a fallu développer de nouveaux types de revêtement pour protéger les optiques. Une percée décisive a été effectuée en ajoutant un système injectant en permanence une faible quantité d'oxygène à une pression très réduite de . Ce gaz, en oxydant les contaminants produits à la surface des optiques, permet de les éliminer. Pour répondre aux besoins sur toute la durée de la mission le satellite emporte d'oxygène. Pour valider les principes de fonctionnement mis en œuvre, un instrument de conception similaire à Aladin mais de taille plus réduite baptisé A2D () est installé à bord d'un avion à réaction Falcon 20E de l'agence spatiale allemande, la DLR, et effectue plusieurs campagnes d'observation entre 2007 et 2010.

Les problèmes rencontrés dans la mise au point de l'instrument Aladin entrainent un décalage de plus de de la date de lancement du satellite. Le coût du projet qui avait été estimé à euros en 2003 (dont € pour le seul satellite) atteindra finalement € en fin de mission selon un rapport de l'agence spatiale. Le lanceur léger européen Vega est retenu en 2016 pour mettre en orbite le satellite fin 2017. Le , ADM-Aelus arrive au Centre spatial de Liège en Belgique pour une série de tests afin de qualifier l'instrument principal Aladin. Des tests sous vide sont effectués pendant , du au ..

Déroulement de la mission

Généralement les satellites sont transportés à Kourou, pour leur lancement, par avion. Mais la pressurisation rapide lors de la descente en altitude d'un aéronef présentait un risque pour l'instrument Aladin car elle entraine l'ingestion de polluants et de poussières. Aussi le satellite est convoyé jusqu'en Guyane par un navire roulier spécialement affrété, le Ciudad de Cadiz. Ce navire est utilisé habituellement par son propriétaire, le constructeur aérospatial Airbus, pour convoyer les principales pièces d'avion entre ses différents établissements européens. La campagne de lancement débute en . Le un lanceur européen léger Vega, dont ADM-Aeolus constitue la seule charge utile, décolle depuis la base de lancement de Kourou à temps universel. Le satellite est placé sur une orbite héliosynchrone à une altitude moyenne de avec une inclinaison orbitale de 97,06°. Sur cette orbite le satellite franchit la ligne des nœuds à de l'après midi (heure solaire), soit une orbite crépusculaire. La période orbitale est de et le satellite repasse sur sa trace précédente avec une périodicité de .

Le satellite ayant pratiquement épuisé les ergols utilisés pour maintenir son orbite et devant faire face à une recrudescence de l'activité solaire (qui entraine une expansion de l'atmosphère et une réduction accélérée de la vitesse orbitale du satellite), l'agence spatiale européenne décide de mettre fin à la mission le soit après son lancement. Celle-ci est intervenue le ..

Objectifs

L'objectif principal de la mission ADM-Aeolus est de valider le recours à un lidar pour mesurer les profils de vent depuis l'espace. L'objectif secondaire est de fournir des données exploitables permettant d'améliorer les modèles climatiques. La compréhension de l'évolution des vents sur une période de quelques jours contribue en effet à améliorer les connaissances sur la dynamique de l'atmosphère et les processus globaux de transport ainsi que les cycles de l'énergie, de l'eau, des aérosols et des produits chimiques. La mission contribue ainsi à la réalisation de certains objectifs du programme Système mondial d’observation du climat en particulier l'étude du budget énergétique global de la Terre et de la circulation atmosphérique globale.

ADM-Aeolus doit fournir le profil des vents (direction et vitesse) entre le sol (ou le sommet des nuages épais) et d'altitude. Les modèles de prévision météorologique à moyen terme utilisent jusque là pour mesurer le vent un ensemble hétéroclite de capteurs : anémomètres au sol, ballons sondes, profileurs de vent, instruments embarqués sur des satellites déduisant la vitesse et la direction du vent à la surface des océans à partir de l'analyse de la forme des vagues (diffusomètre radar), mesures des avions de ligne transmises aux services météorologiques (AMDAR). Mais ces mesures n'assurent qu'une couverture partielle des vents de surface et sont encore plus lacunaires pour le vent en altitude. En fournissant une vue étendue à la planète entière des vents dans la région de l'atmosphère terrestre allant de la surface à la stratosphère en passant par la troposphère (de 0 à ), une amélioration sensible des prévisions est attendue. Elle est estimée à 15 % pour les latitudes tropicales et à 2-4 % pour les latitudes plus septentrionales..

Performances attendues

Dans les modèles météorologiques, la composante verticale du vent n'est généralement pas prise en compte. L'impact est limité car sa valeur est en moyenne d'un ordre de grandeur inférieure à la vitesse horizontale bien qu'elle puisse excéder la vitesse horizontale dans de petites régions fortement perturbées ou en présence de nuages convectifs. Mais de toute façon la taille de ces zones est trop faible pour être prise en compte dans les modèles qui reposent sur un maillage peu serré () de la surface du globe. Le vecteur vitesse du vent est intégré dans les modèles en le décomposant en sa composante horizontale nord sud et sa composante horizontale est-ouest. La mesure de ces deux composantes ayant été jugé trop couteuse, Aladin ne fournit que la valeur de la composante est-ouest perpendiculaire au sens de son déplacement. Il a été démontré que la perte de précision associée pourrait être en partie compensée par une meilleure couverture. Il est estimé que la connaissance de la composante est ouest fournit 75 à 80 % de l'information sur le vecteur du vent.