MAGIC (constellation de satellites)

MAGIC (acronyme de MAss Change and Geoscience International Constellation) est une mission spatiale de géodésie développée conjointement par l'Agence spatiale européenne (ESA), la NASA et l'agence spatiale allemande dont l'objectif est de mesurer les variations du champ gravitationnel de la Terre avec une fréquence temporelle rapprochée (tous les 3 jours) et une résolution spatiale de 100 kilomètres. Ce projet prend la suite des missions européenne GOCE (lancée en 2009) et germano-américaine GRACE (2002) et GRACE-FO (2018).

MAGIC
Satellite d'observation de la Terre

Données générales

Organisation	Agence spatiale européenne NASA Agence spatiale allemande
Programme	Living Planet (Earth Explorer)
Domaine	Mesure du champ gravitationnel de la Terre
Nombre d'exemplaires	4
Constellation	oui
Statut	En développement
Lancement	vers 2032
Lanceur	NGGM : Vega-C GRACE-C : Falcon 9

Caractéristiques techniques

Contrôle d'attitude	Stabilisé sur 3 axes

Orbite

Orbite	Orbite basse
Altitude	NGGM : 397 km GRACE-C : 500 km
Inclinaison	NGGM : 70° GRACE-C : 89°

Principaux instruments

Superstar, Microstar	Accéléromètres
LTI et LRI	laser de poursuite

La mission MAGIC utilise une constellation de quatre satellites pour remplir ses objectifs. La paire de satellites NGGM (Next Generation Gravity Mission) développée par l'Agence spatiale européenne et la paire de satellites GRACE-C développée conjointement par la NASA et l'Agence spatiale allemande. Tous ces satellites emportent des accéléromètres et un laser de poursuite. Placés sur une orbite basse avec des inclinaisons orbitales complémentaires ils doivent effectuer des mesures communes durant au moins trois ans. L'ensemble de la constellation doit être opérationnel vers 2032.

Contexte et historique

Le projet MAGIC prend la suite des missions européenne GOCE (lancée en 2009) et germano-américaine GRACE (2002) et GRACE-FO (2018). Le développement de la composante européenne de MAGIC par l'Agence spatiale européenne est décidée fin 2022

Le développement de la mission GRACE-C en tant que successeur des missions GRACE et GRACE-FO est annoncé officiellement en mars 2024. Les principaux industriels impliqués dans son développement sont Airbus, GFZ et AEI. En juin 2025 lors d'une présentation conjointe de JPL, DLR, GFZ et de l'Université du Texas, il est annoncé que le projet a passé avec succès la revue critique des spécifications.

L'ensemble de la constellation doit être opérationnel en 2032.

Objectifs

L'objectif de la mission MAGIC est de mesurer les variations du champ gravitationnel de la Terre avec une fréquence temporelle rapprochée (tous les 3 jours) et une résolution spatiale de 100 kilomètres. Les données recueillies fournissent des informations sur le cycle de l'eau et les échanges de masse entre l'atmosphère, les océans, la cryosphère et les terres. Ces données seront utilisées notamment pour la gestion des ressources en eau, les variations du volume des glaciers et banquises, l'élévation du niveau des mers, toutes ces données contribuant à alimenter les modèles utilisés pour mesurer l'impact du réchauffement climatique. Les mesures effectuées doivent également permettre de surveiller les sources des événements sismiques, en particulier ceux difficilement accessibles à l'aide d'instruments basés sur Terre.

Mesure des changements affectant l'AMOC

L'AMOC (Circulation méridienne de retournement Atlantique) est un ensemble complexe de courants centrés sur l'Océan Atlantique (dont le Gulf Stream) jouant un rôle important dans le climat de la Terre. Des analyses récentes de ses caractéristiques suggèrent que l'AMOC subit des changements liés au réchauffement climatique en cours qui pourraient provoquer des modifications dramatiques du climat en particulier en Europe de l'Ouest (par exemple la température moyenne à Londres pourrait de manière paradoxale chuter de 7 degrés). Depuis 2004 un ensemble d'instruments installés sur des bouées est positionné dans l'Océan Atlantique entre la Floride et la côte marocaine (projet RAPID) et mesure la température, la salinité et la vitesse du courant de manière continue. Ces instruments ont montré que l'AMOC perdait de sa force depuis 2010. Mais la maintenance des instruments de RAPID étant couteuse et les mesures étant restreintes à une seule latitude les scientifiques utilisent de plus en plus les données collectées par les satellites qui permettent des mesures sur une plus grande surface et de manière continue. Selon les modèles numériques de l'océan, une caractéristique centrale de l'AMOC mesurable par satellite est la pression exercée par les eaux sur le fond de l'océan le long de la bordure occidentale de l'Atlantique nord. En principe cette données pourrait permettre de surveiller l'évolution de l'AMOC depuis l'espace. Mais l'amplitude des variations est très faible et donc difficile à mesurer. Le projet NGGM de l'ESA, grâce à la précision des instruments de mesure du champ de gravité et à des techniques avancées de traitement des données, devrait permettre d'isoler la signature de l'AMOC. Ces mesures pourraient être complétées par celles de la température de surface et de la salinité réalisées par les missions européennes SMOS, Sentinel-3 et la future mission CIMR (lancement prévu en 2028).

Principes de fonctionnement

Chaque paire de satellites utilise un système de mesure qui fournit avec une extrême précision les variations de de distance entre les deux satellites. Celles-ci reflètent les variations locales du champ gravitationnel terrestre. Pour compléter ces données des accéléromètres extrêmement précis mesurent les accélérations subies par chaque satellite. Enfin des propulseurs à gaz froid sont chargés de corriger les changements d'orientation et d'orbite induits par différentes sources (par exemple la pression du rayonnement solaire) et de compenser la trainée produite par l'atmosphère résiduelle.

Caractéristiques techniques

La mission repose sur le développement de deux paires de satellites. Une paire développée par l'ESA et l'autre dans le cadre d'une collaboration germano-américaine. La mission fait appel aux techniques mises au point pour la mission GRACE en les améliorant d'un facteur 100 : mesure extrêmement précise de la distance entre des satellites circulant en formation et en orbite basse à faible distance l'un de l'autre en utilisant la technique de l'interférométrie. Les variations de distance permettent de déterminer les variations du champ gravitationnel.

Satellites NGGM

Courant 2026 deux consortiums industriels ont été retenus pour la conception et la fabrication des satellites. Ils doivent affiner leur proposition avant qu'intervienne la sélection par l'Agence spatiale européenne.

Instruments

Les satellites NGGM emportent un interféromètre laser LTI (basé sur le LRI de GRACE-C) et des accéléromètres MicroSTAR évolution des Superstar développés par l'ONERA pour les missions précédentes.

Satellites GRACE-C

Les deux satellites de la mission germano-américaine GRACE-C dérivent directement des satellites GRACE-FO et emportent des instruments similaires. Les ajouts portent sur un système de mesure des distances en bande K et un nouvel équipement SFU (Scale Factor Unit) destiné à mesurer la fréquence du faisceau laser entre le satellite et le récepteur GPS.

Les satellites Grace-C utilisent la plateforme trapézoïdale Flexbus d'Airbus. Leurs dimensions sont de 3 m x 2 m x 0.8 m et ils ont une masse à vide de 600 kg. La consommation électrique est de 200 Watts. Leur durée de vie est de 5 ans. Pour maintenir la distance entre les deux satellites avec la précision requise par l'instrument LRI, ils sont équipés de 12 moteurs-fusées produisant une poussée unitaire de 7 milliNewtons.

Instruments

L'instrument principal des deux satellites est le LRI Laser Ranging Interferometer) qui mesure à l'aide d'un interféromètre laser les fluctuations de distance entre les deux satellites. Sa précision est de 200 à 300 picomètres. Cet instrument, qui avait été testé sur GRACE-FO, remplace le MWI Microwave Instrument) qui était l'instrument principal des satellites de la génération précédente Le développement est géré par le JPL avec des participations de l'Institut Albert Einstein (AEI) et de SpaceTech (STI).

Déroulement de la mission

Les satellites GRACE-C doivent être lancés par une fusée Falcon 9 de SpaceX décollant de la base de lancement de Vandenberg. Ils circuleront éloignés l'un de l'autre initialement d'environ 220 km sur une orbite polaire de 500 km avec une inclinaison orbitale de 89 degrés.

Les satellites NGCM doivent être lancés par une fusée Vega C décollant de la base de lancement de Kourou. Ils circuleront éloignés l'un de l'autre initialement d'environ 220 km sur une orbite basse de 397 km avec une inclinaison orbitale intermédiaire de 70 degrés. La durée initiale de la mission est de 5 ans (après phase de commissionnement) et ils emportent suffisamment de consommables pour fonctionner deux années de plus.

Notes et références

Bibliographie

• (en) ESTEC, Next Generation Gravity Mission as a Mass-change And Geosciences International Constellation (MAGIC) - A joint ESA/NASA double-pair mission based on NASA's MCDO and ESA's NGGM studies : Mission Requirements Document, Agence spatiale européenne, 2020, 62 p. — Expression de besoins de la mission MAGIC

Annexes

Articles connexes

• Géodésie
• Programme Living Planet
• GOCE
• GRACE, mission de la NASA et de l'agence spatiale allemande DLR remplissant un objectif identique (2002)

Liens externes

• (en) « MAGIC (Mass-Change and Geosciences International Constellation) », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le 8 novembre 2023)
• (en) Luca Massotti, Antonio Caiazzo et Bernardo Carnicero Dominguez, « Next Generation Gravity Mission design activities within the Mass Change and Geoscience International Constellation », Agence spatiale européenne, 13 octobre 2012