Merci à Mussa Kachunga Stanis d'avoir traduit cet article volontairement.

L'eau dans l'atmosphère, dans le sol, dans les rivières et les océans est en échange continu via le cycle global de l'eau. On pense généralement qu'il s'agit du mouvement circulaire de l'eau qui s'évapore de la surface de la Terre, monte dans l'atmosphère sous l'effet de courants ascendants chauds et se condense en nuages. Il est transporté par le vent sous forme de vapeur d'eau et retombe finalement à la surface de la Terre sous forme de pluie ou de neige. Bien que ce paradigme général ne soit pas incorrect, le cycle global de l'eau est beaucoup plus complexe et implique des processus biophysiques transférant de l'énergie et de la chaleur latente entre l'atmosphère, la surface terrestre et la végétation. Surveiller, comprendre et prévoir la dynamique de l'eau reste un défi majeur pour la science et la technologie contemporaine (Hegerl et al. 2015) mais est essentiel pour le développement durable (Bhaduri et al. 2016) et la gestion des risques climatiques. Compte tenu de la nature mondiale, nationale et régionale des dynamiques hydrologiques, il est presque impensable de les surveiller exclusivement avec des instruments au sol en raison de leur faible répartition dans les régions éloignées. Les capteurs satellitaires sont donc la seule solution pratique pour acquérir les données nécessaires à la gestion des ressources en eau à une résolution spatio-temporelle adéquate ⁠ (Sheffield et al. 2018).

La gestion des ressources en eau partagées dans un contexte de changement climatique implique inévitablement l'estimation, la cartographie et la prévision des risques liés à l'eau. Ces tâches difficiles peuvent être facilitées par l'utilisation de modèles mathématiques qui ingèrent des données spatiales et des mesures au sol pour les transformer en informations exploitables. Les objectifs de l'utilisation de ces informations sont multiples et les principaux utilisateurs sont les organisations gouvernementales et non gouvernementales visant à la conservation des ressources en eau partagées, ainsi que les principaux utilisateurs d'eau et les acteurs du secteur privé tels que les entreprises. La gestion durable de l'eau par les principaux utilisateurs d'eau fait partie des objectifs hautement prioritaires pour la décennie 2020-2030 (UNESCO 2019a ; Forum économique mondial 2021). Cet article se concentre sur l'utilisation appliquée des données mondiales sur l'eau pour aider les entreprises à gérer les ressources en eau partagées et les risques associés, et il présente des outils de données permettant une prise de décision éclairée au niveau de l'entreprise.

Le cycle de l'eau depuis l'espace

La recherche et la surveillance du cycle de l'eau, à l'échelle mondiale et régionale, incluent des processus physiques tels que l'évaporation et la condensation, l'infiltration et le ruissellement de surface, qui à leur tour impliquent de multiples variables hydrologiques et météorologiques. Il est présenté ici une brève description des principales variables du cycle de l'eau suivies à partir de capteurs satellitaires, et un aperçu des missions spatiales permettant leur suivi.

Vapeur d'eau

La vapeur d'eau représente environ 0,04 % de l'eau sur Terre et sa concentration dans l'atmosphère varie entre 0 et 4 % (Gleick 1996). Malgré cela, la vapeur d'eau est responsable de la majeure partie du transport horizontal d'eau douce sur la planète. Comme l'eau liquide qui coule à la surface de la Terre, la vapeur d'eau s'écoule dans les rivières atmosphériques se déplaçant de la région intertropicale vers l'extérieur (Zhu et Newell 1994). 

Le radiomètre à spectre imageur à résolution moyenne (MODIS) à bord des satellites Terra et Aqua, exploité par la National Aéronautiques and Space Administration (NASA), fournit des mesures continues et cohérentes de la vapeur d'eau, ainsi que d'autres variables liées à l'eau, depuis l'an 2000. Alors que MODIS approche de la retraite, son extraordinaire longue série de données sera poursuivie et complétée par les derniers capteurs tels que le Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), à bord du partenariat national en orbite polaire NASA/NOAA Suomi, le Sentinelle -3, exploité par l'Agence spatiale européenne (ESA) dans le cadre du programme Copernicus, et les prochains satellites Meteorological Operational Satellite Program of Europe - Second Generation Program (MetOp-SG) exploités par l'ESA et l'Organisation européenne pour l'exploitation de satellites météorologiques ( EUMETSAT).

Les données de précipitations ont été fournies par le satellite Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) de 1997 à 2015. La mission Global Precipitation Measurement (GPM), opérationnelle depuis 2014, lui succède. Le système s'appuie sur un algorithme nommé Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM (IMERG) pour intégrer les données de plusieurs satellites et renvoie des mesures régionales des précipitations et des chutes de neige avec une résolution temporelle d'une demi-heure et des données de précipitations mondiales avec une résolution temporelle de trois heures.

Humidité du sol

Le sol joue un rôle central dans les échanges terre-atmosphère d'eau et d'énergie. L'eau dans les couches actives du sol (jusqu'à 2 m de profondeur) est appelée humidité du sol. En plus d'être la pierre angulaire de l'agriculture, l'humidité du sol est la principale source d'eau qui transpire de la végétation et qui s'évapore des terres. La température de la surface terrestre est affectée par l'humidité du sol, les surfaces plus froides correspondant aux sols plus humides car l'évaporation se produisant dans les sols absorbe l'énergie qui autrement chaufferait la surface. L'échange d'eau et d'énergie qui se produit dans le sol active des boucles de rétroaction entre les précipitations, l'humidité du sol et l'évapotranspiration (c'est-à-dire l'évaporation et la transpiration) qui ont un impact sur le climat et la météo à l'échelle régionale et sous régionale⁠ (Wang et al. 2018). Les données satellitaires sur l'humidité du sol sont donc utiles pour prédire les précipitations⁠ (Brocca et al. 2014) et les niveaux d'humidité du sol sont également reconnus pour affecter l'incidence et l'ampleur des inondations (Grillakis et al. 2016).
 

En raison du rôle central de l'humidité du sol pour l'agriculture, la gestion des risques hydriques, la modélisation climatique et les prévisions météorologiques, de nombreux produits satellitaires sur l'humidité du sol sont disponibles. Par exemple, la mission Soil Moisture Ocean Salinity (SMOS) opérée par l'ESA depuis 2009, la mission Soil Moisture Active Passive (SMAP) lancée par la NASA en 2015. Les produits de données incluent également le AMSR-E/AMSR2 Unified L2B qui fournit un temps continu série de données sur l'humidité du sol avec une couverture mondiale de 2012 à aujourd'hui, et l'ESA CCI Soil Moisture v06.1 qui suit les données sur l'humidité du sol depuis 1978.

Évapotranspiration

L'évapotranspiration (ET) comprend l'évaporation de la surface terrestre et la transpiration par la végétation. Les plantes emmagasinent en moyenne 2 % de l'eau qu'elles absorbent et rejettent le reste dans l'atmosphère par transpiration. L'ET est donc liée à la production de biomasse végétale et à la demande en eau associée, ce qui en fait l'une des variables les plus importantes du cycle de l'eau et un indicateur clé pour les modèles de bilan hydrique global.

La télédétection offre une opportunité sans précédent de surveiller la variabilité spatio-temporelle de l'ET en utilisant l'indice de végétation tel que l'indice de surface foliaire (LAI) et l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI), la température de la surface terrestre, l'humidité du sol et la couverture terrestre. Ces données sont largement utilisées dans les modèles ET par satellite pour fournir des estimations ET mondiales et régionales (Chen et al. 2020). Le produit ET global de MODIS (MOD16) est basé sur les données LAI depuis 2000, avec une résolution spatiale de 1 km et une résolution temporelle de 8 jours. La NOAA fournit un ensemble de données ET mensuel mondial basé sur le produit NDVI dérivé des données AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), avec une résolution spatiale de 8 km de 1983 à 2006. Données satellitaires optiques avec bande infrarouge telles que Landsat et Sentinel-2, exploitées par la NASA et l'ESA respectivement, permettent une estimation ET à une résolution spatiale plus élevée et des intervalles de revisite plus courts⁠ (Pasqualotto et al. 2019).

Masses d'eau de surface

Le trait le plus distinctif de la planète Terre vue de l'espace est peut-être la couleur bleue, 71 % de sa surface étant recouverte d'eau. Les océans contiennent plus de 95 % de l'eau de la planète, qui est saline. La salinité et la circulation des océans ont des impacts majeurs sur le climat et sont surveillées par des instruments à bord des missions SMOS et Sentinel-3, opérées par l'ESA. Seulement 1,2% de l'eau douce est de l'eau de surface, tandis que le reste est enfermé dans les calottes glaciaires et les glaciers, ou dans le sous-sol. Les lacs, étangs et réservoirs, ainsi que les rivières et les zones humides, représentent les principales ressources d'eau douce accessibles à la surface de la Terre. Étant donné que le volume d'eau dépend des précipitations et est sujet à l'évaporation, les masses d'eau de surface sont extrêmement sensibles aux fluctuations, ce qui en fait d'importants vecteurs d'information sur la disponibilité régionale de l'eau (Hofmann, Lorke et Peeters 2008)

La reconnaissance des masses d'eau de surface et la détection des changements d'étendue à partir de capteurs satellitaires est une tâche primordiale pour les algorithmes de classification de la couverture terrestre. De nombreux ensembles de données sur la couverture terrestre sont actuellement disponibles : IGBP-DISCover de l'USGS, le produit de couverture terrestre MODIS incorporant cinq systèmes différents de classification de la couverture terrestre, la série GLC publiée par le Centre commun de recherche de la Commission européenne (JRC de la CE) et l'ESA. Outre l'étendue des eaux de surface, les capteurs satellitaires à bord de Sentinel-3 permettent de mesurer la hauteur des eaux de surface.

Neige, glaciers et calottes glaciaires

Environ 70% de l'eau douce sur Terre est gelée. La neige et la glace jouent un rôle central dans les processus hydrologiques mondiaux, le ruissellement dû à la fonte des neiges est une source importante pour la recharge des eaux souterraines et fournit de l'eau douce à une fraction importante de la population mondiale. Les grandes masses de glace aux pôles influencent le climat mondial. Leur surface brillante reflète un grand pourcentage de la lumière du soleil dans l'espace, gardant les océans plus frais aux pôles par rapport à l'équateur. Le gradient de température qui en résulte impacte les courants océaniques, et donc le climat.

Les radars actifs satellitaires tels que CryoSat et Envisat-ASAR, exploités par l'ESA, offrent l'opportunité unique de détecter les mouvements centimétriques de la surface de la glace. Les missions Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) permettent de mesurer les variations volumétriques de la calotte glaciaire. De plus, les approches multi-satellitaires telles que l'intégration des données Landsat et MODIS permettent de récupérer les caractéristiques de la neige de petite échelle,⁠ à l'échelle mondiale et régionale (Donmez et al. 2021).

Les conséquences économiques d'un « cycle courbé»

L'altération actuellement observée du cycle de l'eau peut être l'un des phénomènes les plus tangibles liés au réchauffement climatique, car elle se manifeste par des cyclones tropicaux plus forts et plus fréquents, des inondations perturbatrices, des vagues de chaleur record et des périodes de sécheresse prolongées. C'est ce que montrent, par exemple, les chercheurs de l'US Drought Monitor pour les conditions de sécheresse extrême affectant 75 % de l'État de Californie à l'été 2021. Des conditions comparables sont signalées par plusieurs administrations météorologiques européennes sur la région méditerranéenne, tandis que l'État du Brésil prévoit que la sécheresse entraînera une baisse de la production de café susceptible d'affecter la chaîne d'approvisionnement du café au niveau mondial. Malgré les sécheresses dévastatrices qui se produisent partout dans le monde, les inondations restent les catastrophes naturelles avec le plus de répercutions dans le monde, car leur fréquence a doublé au cours des 20 dernières années (UNESCO 2019b) et la proportion de la population mondiale exposée au risque d'inondation a augmenté de plus de 20 % entre 2000 et 2015 (Tellman et al. 2021). Les régions tropicales et subtropicales du monde entier sont particulièrement touchées par les inondations (UNDRR 2019). Le Bangladesh, par exemple, a été frappé par des précipitations extrêmes et des inondations perturbatrices en 2020 et 2021, plus d'un cinquième de la masse continentale du pays étant submergé, selon les estimations du gouvernement et les données satellitaires. Plus récemment, des inondations perturbatrices ont également touché les régions tempérées de l'hémisphère nord, comme en témoigne l'ampleur des événements qui ont fait plus d'une centaine de morts en Europe occidentale en juillet 2021, et la première crue éclair de l'histoire de la ville de New York, enregistrée en septembre 2021. Selon un récent rapport de la National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA), les catastrophes liées à l'eau aux États-Unis ont eu un impact économique cumulé supérieur à 44 milliards de dollars par an au cours des 40 dernières années.

L'eau étant le pilier de l'économie mondiale, les risques liés à l'eau et la détérioration de la sécurité de l'eau dans le monde posent également des défis majeurs aux entreprises qui voient leurs opérations, leurs chaînes d'approvisionnement et leurs investissements gravement menacés. En fait, les entreprises jouent un rôle essentiel dans la gestion de l'eau, l'utilisation agricole et industrielle de l'eau représentant respectivement 69 % et 19 % de l'utilisation mondiale de l'eau (UNESCO 2019a). Les problèmes d'eau présentent une série de risques pour les entreprises, tels que des pertes économiques considérables résultant d'interruptions de la chaîne d'approvisionnement, du paiement de taxes et redevances environnementales et de modifications réglementaires affectant les opérations dans des régions spécifiques.

Une organisation à but non lucratif qui gère une plateforme de divulgation environnementale, le CDP, a estimé que l'impact économique futur des risques liés à l'eau pour les entreprises (plus de 300 milliards de dollars américains) serait cinq fois plus élevé que les coûts actuels de gestion des risques (CDP 2020). Il existe donc un large consensus sur la nécessité urgente de mettre en œuvre des politiques globales de gestion de l'eau qui soient socialement équitables, écologiquement durables et économiquement bénéfiques.

Les modèles informés par satellite soutiennent la gestion durable de l'eau au niveau de l'entreprise

La gestion durable des ressources en eau est un défi central pour les gouvernements et les organisations internationales. Sheffield et al. (2018) se sont concentrés sur l'Amérique latine et les Caraïbes pour démontrer comment les gouvernements peuvent soutenir les processus décisionnels en intégrant des données satellitaires et des mesures au sol, même dans les régions pauvres en données. Des initiatives nationales au Pérou (Manz et al. 2016) et au Chili (Zambrano-Bigiarini et al. 2017), par exemple, combinent des données pluviométriques avec des données satellitaires sur les précipitations pour surveiller les risques liés à l'eau tels que la sécheresse et les inondations à l'échelle locale. Compte tenu du rôle critique joué par le secteur privé dans l'utilisation des ressources en eau partagées (UNESCO 2019b) et de l'impact économique important des risques liés à l'eau prévus (CDP 2020 ; Forum économique mondial 2021), les acteurs du secteur privé ont également collaboré au développement d'un cadre applicable à l'échelle mondiale permettant aux principaux utilisateurs d'eau de comprendre leur consommation d'eau et leurs impacts, et de travailler pour une gestion durable de l'eau au niveau des bassins versants (The CEO Water Mandate 2013; 2010). L'évaluation des risques actuels et projetés repose de plus en plus sur la modélisation de la dynamique mondiale de l'eau. Les technologies satellitaires pour l'observation de la Terre permettent d'évaluer les modèles hydriques mondiaux (Scanlon et al. 2018) et représentent une source de données fiable pour améliorer leur précision (Khaki, Hendricks Franssen et Han 2020). Les entreprises opèrent souvent à l'échelle mondiale. La possibilité d'identifier et de gérer les risques liés à l'eau au niveau de l'entreprise repose sur des données modélisées sur l'eau, qui sont recoupées avec des mesures socio-économiques et mises à la disposition des dirigeants d'entreprise pour être prises en compte dans la planification résiliente de l'eau.

Deux outils mondiaux de pointe sur l'eau, l'aqueduc du World Resources Institute (WRI) et le Water Risk Filter (WRF) du Fonds mondial pour la nature (WWF), s'appuient sur les données hydrologiques et les cartes basées sur les dérivés d'élévation SHuttle à plusieurs échelles. (HydroSHEDS) jeu de données (Lehner, Verdin et Jarvis 2008). Cet ensemble de données est principalement dérivé des données de la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) et complété par des ensembles de données auxiliaires sur les masses d'eau, y compris la base de données mondiale sur les lacs et les zones humides (GLWD). Alors que l'aqueduc se concentre sur le risque du bassin (c'est-à-dire les risques dus aux conditions du bassin), et en particulier sur la nourriture et les inondations, le WRF inclut également le risque opérationnel (c'est-à-dire les risques dus à l'utilisation et à la gestion de l'eau) et se concentre sur la valeur et la réponse pour conduire l'action des entreprises pour un avenir durable et sûr en matière d'eau. Les plateformes Web d'Aqueduct et de WRF permettent aux utilisateurs de télécharger des emplacements de sites et d'accorder un accès libre à des cartes thématiques qui couvrent respectivement 13 et 32 indicateurs mondiaux de risque lié à l'eau (Ward et al. 2020 ; WWF Water Risk Filter 2020), regroupés en trois grandes catégories de risques liés à l'eau : physiques, réglementaires et de réputation (The CEO Water Mandate 2014). Ces outils de données sont des exemples pratiques de la façon dont les données des modèles mondiaux de l'eau sont utilisées à bon escient pour sensibiliser aux risques liés à l'eau et pour aider les principaux utilisateurs d'eau tels que les entreprises à développer des stratégies résilientes à l'eau.

Conclusion

Les technologies spatiales jouent un rôle essentiel en fournissant des intrants aux modèles hydriques mondiaux pour produire des prévisions fiables qui, à leur tour, alimentent les outils de données pour l'évaluation et la gestion des risques liés à l'eau, aujourd'hui et dans un avenir prévisible. Cependant, la traduction de la science et des données en outils significatifs qui conduisent à des actions au niveau opérationnel de l'entreprise nécessite également une sensibilisation plus efficace et des politiques plus fortes pour parvenir à une utilisation socialement équitable et écologiquement durable des ressources en eau partagées.