Bathymetry from space: Rationale and requirements for a new, high-resolution altimetric mission

Type Article
Date 2006-11
Language English
Author(s) Sandwell David T.1, Smith Walter H.F.2, Gille Sarah1, Kappel Ellen3, Jayne Steven4, Soofi Khalid5, Coakley Bernard6, Geli LouisORCID7
Affiliation(s) 1 : Scripps Inst Oceanog, La Jolla, CA 92093 USA.
2 : NOAA, Lab Satellite Altimetry, Silver Spring, MD 20910 USA.
3 : Geosci Profess Serv, Bethesda, MD USA.
4 : Woods Hole Oceanog Inst, Dept Phys Oceanog, Woods Hole, MA 02543 USA.
5 : Conoco Inc, Houston, TX 77252 USA.
6 : Univ Alaska, Inst Geophys, Fairbanks, AK 99775 USA.
7 : IFREMER, Marine Geosci Dept, F-29280 Plouzane, France.
Source Comptes Rendus Geoscience (1631-0713) (Elsevier), 2006-11 , Vol. 338 , N. 14-15 , P. 1049-1062
DOI 10.1016/j.crte.2006.05.014
WOS© Times Cited 23
French abstract La profondeur des fonds marins est une donnée essentielle pour un grand nombre de domaines d'activité : scientifique, économique, politique. La bathymétrie – la science de la mesure des profondeurs de l'océan – a des applications aussi diverses que la gestion des ressources minérales et vivantes, l'aménagement des habitats sous-marins, l'implantation des câbles sous-marins et autres pipe-lines, l'extension des juridictions des pays riverains dans le cadre de l'article 76 de la convention des Nations unies sur le droit de la mer, etc. Sur le plan scientifique, des questions d'ordre fondamental – telles que la formation des fonds océaniques ou le rôle du relief sous-marin sur l'évolution du climat – passent par une connaissance globale et homogène de la topographie du plancher océanique. Les cartes globales de bathymétrie actuellement disponibles sont inadaptées pour bon nombre de ces applications, car de vastes zones océaniques demeurent inexplorées. Les sondeurs acoustiques multifaisceaux offrent la résolution adéquate, mais il faudrait plus de 200 années-navire pour couvrir l'ensemble des grands fonds, pour un coût de l'ordre de plusieurs milliards d'euros. En revanche, l'altimétrie satellitaire permettrait d'obtenir un modèle global de bathymétrie satisfaisant pour de nombreuses applications, en moins de six ans, à un coût inférieur à la centaine de millions d'euros. En effet, dans l'océan, les masses d'eau ont tendance à s'accumuler au-dessus des montagnes sous-marines, à cause de l'attraction causée par les reliefs. La surface de l'océan au repos (en l'absence de toute perturbation océanique) correspond au géoïde, une surface équipotentielle en tous points, perpendiculaire à la force de pesanteur locale. Les satellites altimétriques mesurent les variations de hauteur de la surface des océans, donc les ondulations du géoïde, associées aux variations de la topographie sous-marine. Les données altimétriques actuelles, combinées aux données existantes de bateaux, permettent ainsi d'estimer, de manière indirecte, les variations de topographie dans les longueurs d'ondes comprises entre 16 et 160 km. Une nouvelle mission altimétrique, spécifiquement dédiée à la collecte de données gravimétriques « haute résolution », permettrait d'accéder à des longueurs d'onde plus courtes, jusqu'à 6 km environ. Cet article détaille les objectifs pour lesquels ce gain en résolution est essentiel :

• déterminer le rôle de la topographie sous-marine et de la rugosité des fonds sur la circulation globale, les échanges à l'intérieur de la masse d'eau, le climat, les habitats benthiques ;

• comprendre les processus géologiques à l'origine des structures intraplaques, telles que les collines abyssales, les microplaques, les propagateurs et les volcans sous-marins ;

• cartographier le champ de gravité et améliorer les systèmes de navigation inertielle ;

• fournir une couverture gravimétrique « haute résolution », homogène et globale, des marges continentales.

• asseoir les revendications de juridiction dans le cadre de la convention des Nations unies sur le droit de la mer.

La résolution de la gravimétrie satellitaire se heurte à des limitations d'ordre physique (liées à la loi de gravité) et non instrumental. La technologie actuelle permet d'accéder à la résolution ultime de la méthode. Les spécifications techniques d'une mission spécifiquement dédiée à la gravimétrie « haute résolution » et à la bathymétrie sont beaucoup moins contraignantes et moins coûteuses que celles des missions océanographiques. La donnée fondamentale à acquérir est la pente du géoïde, à une précision de l'ordre du microradian (1 mm km−1) ; la détermination ultra-précise de la hauteur de la surface de l'océan n'est pas nécessaire. Pour atteindre la résolution ultime, il est proposé ici :
– d'améliorer la précision de l'altimètre d'un facteur 2 par rapport à ceux qui ont été embarqués sur ERS-1 et GeoSat, ce qui est faisable actuellement, de manière à réduire le bruit dû aux vagues ;

– de densifier les traces, pour porter à 6 km l'espacement à l'équateur ;

– de porter à six ans la durée de la mission, afin de pouvoir réduire le bruit par sommation sur les traces répétitives ;

– d'incliner les orbites à 60° (ou 120°), de façon à avoir la même précision sur les composantes nord–sud et est–ouest de la déflection de la verticale ;

– d'améliorer les performances de l'altimètre près des côtes (celui-ci doit « décrocher » et « raccrocher » au plus près de la terre).

Keyword(s) Bathymetric models, Topography/gravity ratio T/G, Ocean mixing rate, Major current systems, Seafloor topography, High resolution altimetry, Bathymetry from space
Abstract Bathymetry is foundational data, providing basic infrastructure for scientific, economic, educational, managerial, and political work. Applications as diverse as tsunami hazard assessment, communications cable and pipeline route planning, resource exploration, habitat management, and territorial claims under the Law of the Sea all require reliable bathymetric maps to be available on demand. Fundamental Earth science questions, such as what controls seafloor shape and how seafloor shape influences global climate, also cannot be answered without bathymetric maps having globally uniform detail. Current bathymetric charts are inadequate for many of these applications because only a small fraction of the seafloor has been surveyed. Modern multibeam echosounders provide the best resolution, but it would take more than 200 ship-years and billions of dollars to complete the job. The seafloor topography can be charted globally, in five years, and at a cost under $ 100 M. A radar altimeter mounted on an orbiting spacecraft can measure slight variations in ocean surface height, which reflect variations in the pull of gravity caused by seafloor topography. A new satellite altimeter mission, optimized to map the deep ocean bathymetry and gravity field, will provide a global map of the world's deep oceans at a resolution of 6–9 km. This resolution threshold is critical for a large number of basic science and practical applications, including:

• determining the effects of bathymetry and seafloor roughness on ocean circulation, mixing, climate, and biological communities, habitats, and mobility;

• understanding the geologic processes responsible for ocean floor features unexplained by simple plate tectonics, such as abyssal hills, seamounts, microplates, and propagating rifts;

• improving tsunami hazard forecast accuracy by mapping the deep-ocean topography that steers tsunami wave energy;

• mapping the marine gravity field to improve inertial navigation and provide homogeneous coverage of continental margins;

• providing bathymetric maps for numerous other practical applications, including reconnaissance for submarine cable and pipeline routes, improving tide models, and assessing potential territorial claims to the seabed under the United Nations Convention on the Law of the Sea.

Because ocean bathymetry is a fundamental measurement of our planet, there is a broad spectrum of interest from government, the research community, industry, and the general public.
Mission requirements. The resolution of the altimetry technique is limited by physical law, not instrument capability. Everything that can be mapped from space can be achieved now, and there is no gain in waiting for technological advances. Mission requirements for Bathymetry from Space are much less stringent and less costly than typical physical oceanography missions. Long-term sea-surface height accuracy is not needed; the fundamental measurement is the slope of the ocean surface to an accuracy of 1 μrad (1 mm km−1). The main mission requirements are:

– improved range precision (a factor of two or more improvement in altimeter range precision with respect to current altimeters is needed to reduce the noise due to ocean waves);

– fine cross-track spacing and long mission duration (a ground track spacing of 6 km or less is required. A six-year mission would reduce the error by another factor of two);

– moderate inclination (existing satellite altimeters have relatively high orbital inclinations, thus their resolution of east–west components of ocean slope is poor at low latitudes. The new mission should have an orbital inclination close to 60° or 120° so as to resolve north–south and east–west components almost equally while still covering nearly all the world's ocean area);

– near-shore tracking (for applications near coastlines, the ability of the instrument to track the ocean surface close to shore, and acquire the surface soon after leaving land, is desirable).

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How to cite 

Sandwell David T., Smith Walter H.F., Gille Sarah, Kappel Ellen, Jayne Steven, Soofi Khalid, Coakley Bernard, Geli Louis (2006). Bathymetry from space: Rationale and requirements for a new, high-resolution altimetric mission. Comptes Rendus Geoscience, 338(14-15), 1049-1062. Publisher's official version : https://doi.org/10.1016/j.crte.2006.05.014 , Open Access version : https://archimer.ifremer.fr/doc/00000/2527/