Feux de forêt : que sont les capteurs MODIS ?

Lorsque les flammes ravagent une forêt, les pompiers au sol ne sont plus les seuls à observer l’évolution de l’incendie. À plusieurs centaines de kilomètres au-dessus de nos têtes, des satellites survolent discrètement la Terre jour après jour. Ils ne voient évidemment pas les flammes comme un être humain regarderait un feu de camp. Ils observent surtout la chaleur, la lumière réfléchie par la végétation, les particules de fumée et les modifications du paysage. Parmi tous les instruments développés depuis le début des années 2000, les capteurs MODIS occupent une place à part. Depuis plus de vingt ans, ils constituent l’un des principaux outils mondiaux de surveillance des incendies de forêt.

Le grand public ignore souvent leur existence, alors que les météorologues, les climatologues, les services forestiers et les spécialistes de la sécurité civile les consultent quotidiennement. Dès qu’un grand incendie apparaît, les images issues de ces capteurs permettent d’estimer sa localisation, sa puissance thermique, la superficie touchée et parfois même l’évolution probable des fumées dans les heures suivantes. Autrement dit, avant même que certaines équipes terrestres n’arrivent sur place, un satellite est souvent déjà passé au-dessus du foyer.

MODIS signifie « Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer », que l’on peut traduire par spectroradiomètre imageur à résolution modérée. Derrière ce nom particulièrement technique se cache un instrument optique extrêmement sophistiqué développé pour observer pratiquement tous les grands phénomènes terrestres. Les incendies ne représentent qu’une partie de ses missions. Les mêmes capteurs suivent également l’évolution des glaciers, des océans, des nuages, des cultures agricoles, des tempêtes de poussière, de la neige, des sécheresses et de la végétation mondiale.

Deux exemplaires principaux de MODIS fonctionnent encore sur des satellites différents. Le premier équipe le satellite Terra, lancé en décembre 1999. Le second se trouve à bord du satellite Aqua, mis en orbite en mai 2002. Ce choix de deux plateformes distinctes n’a rien d’un hasard. Il permet d’observer une même région du globe à différents moments de la journée, améliorant ainsi la surveillance continue de la planète.

Ces satellites évoluent sur une orbite dite héliosynchrone. Ils tournent autour de la Terre à environ 705 kilomètres d’altitude. Cette trajectoire particulière leur permet de passer pratiquement à la même heure solaire locale au-dessus d’une région donnée. Cette stabilité facilite énormément les comparaisons entre les images acquises d’un jour à l’autre.

À cette altitude, un satellite effectue un tour complet de la Terre en environ 99 minutes. Il réalise ainsi près de quinze orbites quotidiennes. Grâce à la rotation de notre planète sous sa trajectoire, il finit par couvrir l’ensemble du globe en un à deux jours seulement.

Le fonctionnement du capteur repose sur un principe relativement simple dans son idée générale mais extraordinairement complexe dans sa réalisation technique. MODIS ne photographie pas uniquement ce que voit l’œil humain. Il analyse simultanément 36 bandes spectrales différentes, réparties entre le visible, le proche infrarouge, l’infrarouge moyen et l’infrarouge thermique.

Chaque longueur d’onde apporte une information particulière.Dans le domaine visible, les images ressemblent aux photographies classiques. Elles permettent d’observer les nuages, les fumées ou la végétation.

Le proche infrarouge révèle très efficacement l’état des plantes. Une forêt en bonne santé réfléchit fortement cette partie du rayonnement alors qu’une végétation brûlée apparaît immédiatement différente.

L’infrarouge moyen devient particulièrement intéressant pour la détection des incendies. Les foyers actifs émettent énormément de rayonnement thermique dans ces longueurs d’onde.

Enfin, l’infrarouge thermique permet de mesurer directement la température apparente des surfaces terrestres.

En combinant ces différentes informations, les calculateurs identifient automatiquement les anomalies thermiques compatibles avec un incendie.

Contrairement à une idée largement répandue, MODIS ne voit pas directement les flammes dans tous leurs détails. Sa résolution spatiale reste volontairement modérée afin de couvrir une très grande largeur de terrain à chaque passage.

Selon les bandes spectrales utilisées, chaque pixel représente environ 250 mètres, 500 mètres ou 1 kilomètre de côté.

Cela signifie qu’un pixel de 1 kilomètre couvre une surface d’un million de mètres carrés. Heureusement, un incendie très chaud modifie suffisamment le signal thermique pour être détecté même lorsqu’il occupe seulement une petite partie du pixel.

Les spécialistes parlent alors de « point chaud » ou hotspot. Un foyer actif peut ainsi être identifié alors qu’il ne mesure que quelques dizaines de mètres dans certaines conditions favorables.

L’algorithme utilisé ne se contente pas de rechercher les températures les plus élevées. Il compare chaque pixel à son environnement immédiat. Si une zone apparaît anormalement chaude par rapport aux secteurs voisins, elle est signalée comme suspecte.

Des filtres supplémentaires éliminent ensuite de nombreux faux positifs pouvant être provoqués par certains sols très chauds, des installations industrielles ou des reflets particuliers.Les performances de MODIS impressionnent encore aujourd’hui.Chaque jour, l’instrument collecte plusieurs dizaines de gigaoctets de données scientifiques.Il observe une bande terrestre d’environ 2 330 kilomètres de largeur à chaque passage.Grâce à cette très grande fauchée, la planète entière est revisitée extrêmement rapidement.Cette capacité constitue son principal avantage. D’autres satellites offrent aujourd’hui une résolution beaucoup plus fine, parfois inférieure au mètre, mais ils couvrent des surfaces beaucoup plus réduites.

MODIS privilégie donc la rapidité de couverture mondiale.Les données sont utilisées presque immédiatement après leur réception dans les stations au sol.Les centres de traitement analysent automatiquement les nouvelles images.

Lorsqu’un incendie est détecté, les coordonnées géographiques sont calculées avec précision.Les cartes des points chauds sont ensuite diffusées aux organismes spécialisés.Cette rapidité représente un atout considérable lors des grands incendies internationaux.Les pompiers ne travaillent évidemment pas directement avec les images brutes.

Des logiciels spécialisés traduisent les informations scientifiques en cartes beaucoup plus faciles à interpréter.Les opérateurs visualisent immédiatement la localisation des foyers actifs, l’évolution des surfaces brûlées, les zones de reprise et parfois la puissance radiative du feu.

Cette dernière donnée mérite une attention particulière.Les scientifiques utilisent le Fire Radiative Power, souvent abrégé FRP. Cette mesure estime la quantité d’énergie thermique rayonnée par l’incendie.

Plus le FRP est élevé, plus le feu libère de chaleur.Cette information permet d’évaluer indirectement l’intensité de la combustion et parfois la quantité de biomasse consommée.Les recherches montrent une bonne corrélation entre cette puissance radiative et la vitesse de propagation dans certaines conditions.

MODIS participe également au suivi des fumées.Les panaches apparaissent clairement dans plusieurs bandes spectrales.Les spécialistes peuvent suivre leur déplacement sur plusieurs centaines de kilomètres.

Les modèles météorologiques utilisent ensuite ces observations pour prévoir la dispersion des particules.Le capteur mesure également l’épaisseur optique des aérosols.Cet indicateur renseigne sur la quantité totale de particules présentes dans la colonne atmosphérique.Lorsque plusieurs grands incendies brûlent simultanément, cette information devient très utile pour anticiper les épisodes de pollution.

L’utilisation de MODIS ne se limite pas aux interventions immédiates.Les données accumulées depuis plus de deux décennies constituent aujourd’hui une base exceptionnelle pour étudier l’évolution mondiale des incendies.

Les chercheurs analysent les tendances régionales.Ils évaluent les effets des sécheresses.Ils suivent les modifications des saisons de feu.Ils mesurent l’impact du changement climatique sur certaines régions particulièrement exposées.Les cartes historiques permettent également de retrouver les surfaces brûlées année après année.

Cette mémoire satellitaire constitue un outil précieux pour les gestionnaires forestiers.Les reboisements peuvent être planifiés plus efficacement.Les zones ayant brûlé plusieurs fois sont identifiées rapidement.Les scientifiques étudient également la vitesse de régénération naturelle des différents écosystèmes.

À quoi ressemble concrètement un capteur MODIS ?Contrairement à l’image que l’on pourrait imaginer, il ne s’agit pas d’un immense objectif photographique.L’instrument mesure environ un mètre de diamètre pour plus de deux mètres de longueur.Sa masse approche les 230 kilogrammes.

À l’avant se trouve un miroir rotatif de grande précision.Ce miroir balaie continuellement la surface terrestre perpendiculairement à la trajectoire du satellite.Chaque rotation collecte des milliers de mesures.

La lumière est ensuite dirigée vers différents détecteurs spécialisés selon les longueurs d’onde.Des systèmes de calibration internes utilisent des références extrêmement stables afin de garantir la qualité scientifique des mesures pendant de nombreuses années.Cette stabilité explique pourquoi les données acquises aujourd’hui restent directement comparables à celles enregistrées il y a plus de vingt ans.

Les satellites transportant MODIS sont alimentés par de grands panneaux solaires.Leur durée de vie initiale était estimée à environ six ans.Pourtant, Terra et Aqua fonctionnent toujours bien au-delà de cette prévision, même si certaines performances évoluent avec le vieillissement des équipements.

MODIS n’est plus seul aujourd’hui.Depuis 2011, le capteur VIIRS installé sur les satellites Suomi-NPP puis NOAA-20 offre une résolution plus fine pour plusieurs applications.Les satellites Sentinel européens viennent compléter ce dispositif avec des observations de très haute qualité.

Les drones équipés de caméras thermiques interviennent ensuite à l’échelle locale.Les avions de reconnaissance réalisent enfin des observations très détaillées directement au-dessus des incendies.L’ensemble constitue une véritable chaîne de surveillance depuis l’espace jusqu’au sol.

Les investissements nécessaires restent considérables.Le développement d’un instrument scientifique spatial représente plusieurs centaines de millions d’euros.Le coût global d’une mission satellitaire incluant le satellite, le lancement, les opérations et le traitement scientifique dépasse largement le milliard d’euros selon les programmes concernés.

À ces dépenses s’ajoutent les stations de réception au sol, les centres informatiques, les équipes scientifiques et les infrastructures de stockage.Les bénéfices dépassent pourtant largement la seule lutte contre les incendies.

Les mêmes observations servent quotidiennement à l’agriculture, à la météorologie, à la climatologie, à la surveillance des océans, aux prévisions hydrologiques, au suivi des catastrophes naturelles et à la recherche environnementale.

Pour vous, ces satellites restent totalement invisibles dans le ciel. Pourtant, ils passent plusieurs fois par jour au-dessus de votre région sans que vous vous en rendiez compte. À chaque passage, leurs détecteurs enregistrent silencieusement des millions d’informations qui permettront peut-être de repérer un départ de feu isolé, de suivre un immense panache de fumée ou de mesurer les conséquences d’un incendie plusieurs semaines après son extinction. Derrière les cartes diffusées lors des grands feux de forêt se cache souvent ce travail discret réalisé à plus de 700 kilomètres d’altitude par un instrument qui balaie inlassablement la planète depuis plus de vingt ans. Peu d’équipements scientifiques peuvent se vanter d’avoir autant contribué à la compréhension mondiale des incendies tout en restant pratiquement inconnus du grand public.