Les fourmis, en tant que groupe, sont des créatures d’habitude. Bien que le chemin d’un individu ne soit pas certain, les biologistes qui ont passé beaucoup de temps à observer le comportement de colonies entières peuvent prédire le temps moyen qu’une fourmi peut errer sous terre avant de refaire surface. Cela a amené le physicien de la NASA Yongxiang Hu à se demander si la même prévisibilité pourrait être vraie pour les photons – des particules de lumière – voyageant à travers le manteau neigeux. Si c’est le cas, cela permettrait aux scientifiques d’utiliser un laser pulsé à partir d’un satellite en orbite pour estimer la profondeur de la neige – potentiellement une nouvelle façon puissante de surveiller l’approvisionnement en eau et la santé de la glace de mer dans l’Arctique.
Le satellite ICESat-2 de la NASA est équipé d’un lidar, la même variété de système laser que les voitures autonomes utilisent pour créer des cartes 3D de leur environnement. Cet instrument extrêmement sensible tire des trillions et des trillions de photons sur la Terre, puis analyse ce qui rebondit sur le satellite. Parce que les scientifiques connaissent la vitesse de la lumière, ils peuvent utiliser le lidar pour déterminer l’altitude : un photon qui rebondit sur le sommet d’une montagne mettra un peu moins de temps pour atteindre ICESat-2 qu’un photon qui rebondit sur le fond d’une vallée.
La même chose se produit lorsque vous tirez du lidar dans un banc de neige. “Nous pouvons mesurer cette distance de chaque photon individuel voyageant à l’intérieur de la neige”, explique Hu, chercheur au Langley Research Center de la NASA. Certains photons peuvent pénétrer à des dizaines ou même à cent pieds de profondeur dans le manteau neigeux avant de remonter à la surface et de retourner vers le satellite. (Les photons pénètrent dans la neige sous forme de faisceau, au lieu de pulvériser latéralement. Imaginez la façon dont un laser tiré à travers un nuage de fumée ressemble à une seule ligne.) Ce retard expose la profondeur de la neige, tout comme un photon rebondissant sur une vallée prend un peu plus de temps pour revenir à l’instrument lidar qu’à celui qui rebondit sur le sommet d’une montagne.
Le cheminement d’un photon n’est pas toujours simple. Tout comme une fourmi erre dans sa colonie souterraine, un photon tiré d’un laser spatial emprunte un chemin aléatoire dans la neige. Quelques-uns voyageront jusqu’au sol sous-jacent et s’y refléteront avant de revenir au-dessus du sol. Certains rebondissent à mi-parcours, après avoir heurté des particules de neige. “La plupart d’entre eux s’enfoncent dans la neige et reviennent”, explique Hu. “Mais il y en a beaucoup qui vont très loin, sur de très longues distances, piégés dans la neige, rebondissant d’avant en arrière, d’avant en arrière.” Tout ce ricochet crée des données bruyantes.
Mais à l’intérieur, il y a un modèle, tout comme il y en a dans la façon dont les groupes de fourmis, dans l’ensemble, se déplacent autour d’une colonie. Alors que chaque photon prend un chemin erratique, les scientifiques peuvent représenter mathématiquement la distance moyenne parcourue par chacun. L’équipe a calculé qu’en moyenne, un photon parcourt deux fois la profondeur de la neige qu’il traverse.
Une fois qu’ils ont eu cette formule, l’équipe a pu estimer la profondeur de la neige sur toute la planète en utilisant les données lidar mondiales d’ICESat-2. Ensuite, ils ont comparé ces estimations aux mesures de profondeur de neige des mêmes zones prises par des avions utilisant un radar. (Une troisième option consiste à insérer des bâtons spéciaux dans la neige.) « Ils se comparent très bien », dit Hu à propos des méthodes. “Nous sommes très heureux que la théorie ait fonctionné.”
