Comment la NASA recherche les déchets plastiques dans les océans depuis l'espace à l'aide de l'EMIT et de la bibliothèque spectrale avancée MADLib

La NASA recherche des déchets plastiques dans les océans depuis l'espace : comment l'EMIT et une nouvelle bibliothèque spectrale changent la lutte contre les débris marins

Fin 2025, une équipe de scientifiques a démontré pour la première fois que des concentrations de déchets plastiques sur terre peuvent être repérées depuis la Station spatiale internationale à l'aide de l'instrument EMIT de la NASA. Bien que ce système de capteurs ait été initialement développé pour mesurer la poussière minérale des déserts, il s'est révélé étonnamment capable de reconnaître l'« empreinte digitale » du plastique dans les décharges, les zones agricoles et dans les grandes structures en plastique telles que les serres. Cela ouvre un nouveau chapitre dans l'idée d'appliquer un jour la même approche à la surveillance des déchets en mer.

Simultanément, un groupe de chercheurs dirigé par la jeune océanographe Ashley Ohall a publié une bibliothèque spectrale ouverte appelée MADLib – une base de données de près de 25 000 « empreintes moléculaires » de différents types de débris marins mesurées avec précision. En combinaison avec l'EMIT et d'autres satellites hyperspectraux, cette base de données pourrait devenir un maillon clé dans le développement d'algorithmes qui suivront depuis l'espace le mouvement des déchets plastiques sur toute la planète.

Une vague de plastique qui menace les océans

Les déchets plastiques comptent aujourd'hui parmi les plus grandes menaces environnementales pour les océans du monde. Selon les estimations du Programme des Nations Unies pour l'environnement et une série d'études récentes, entre 8 et 11 millions de tonnes de plastique finissent dans la mer chaque année – des grands filets de pêche et emballages aux particules microscopiques résultant de la décomposition de morceaux plus grands. La majeure partie de ces déchets provient de la terre, par lessivage des décharges, par des déchets municipaux mal gérés ou par les rivières qui emportent le plastique vers les côtes et vers le large.

Le plastique en mer crée de multiples problèmes. Les espèces marines l'avalent ou s'y empêtrent, il nuit à la pêche et au tourisme, et les fragments de plastique entrent également dans la chaîne alimentaire humaine. Les analyses des scénarios mondiaux avertissent que, sans changement de politiques et d'habitudes de consommation, la quantité de plastique finissant chaque année dans les océans pourrait presque tripler d'ici 2040. Cela signifie qu'en plus des mesures traditionnelles de réduction des déchets, une surveillance nettement meilleure de ce qui flotte déjà dans la mer est nécessaire – et ce au niveau de la planète entière, et pas seulement sur certaines plages ou baies.

C'est là qu'intervient la technologie spatiale. Les satellites qui surveillent la Terre mesurent depuis des décennies la température, la couleur des océans, les nuages et les gaz à effet de serre. Aujourd'hui, on tente d'utiliser la même infrastructure pour cartographier les « flux » de débris marins, et l'EMIT de la NASA et la nouvelle bibliothèque MADLib sont l'une des premières étapes concrètes dans cette direction.

EMIT : un instrument pour la poussière qui a commencé à « voir » le plastique

L'EMIT, de son nom complet Earth Surface Mineral Dust Source Investigation, a été lancé le 14 juillet 2022 sur la plateforme de la Station spatiale internationale. L'instrument a été développé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA dans le cadre du programme Earth Venture et a été conçu comme un outil clé pour l'étude de la poussière minérale des déserts et des zones sèches. Cette poussière, portée par les vents sur des milliers de kilomètres, peut réchauffer ou refroidir l'atmosphère selon sa composition, et la tâche de l'EMIT est de mesurer précisément la « carte minérale » de ces zones sources. 

Contrairement aux caméras satellites classiques qui ne capturent que quelques larges canaux spectraux, l'EMIT est un spectromètre hyperspectral. Il mesure la lumière solaire réfléchie dans une série continue de longueurs d'onde allant du visible à l'infrarouge à ondes courtes, obtenant pour chaque pixel à la surface de la Terre un « spectre » détaillé de 380 à 2500 nanomètres. En pratique, cela signifie que pour chaque carré d'environ 60 mètres au sol, l'instrument ne « voit » pas seulement la couleur, mais aussi la structure fine des raies d'absorption qui dépendent de la composition chimique du matériau observé. 

Lorsque les chercheurs ont commencé à examiner systématiquement les données de l'EMIT, ils ont remarqué que le même instrument qui distingue les minéraux comme la calcite ou l'hématite peut également reconnaître les caractéristiques d'absorption très spécifiques de certains polymères plastiques. Dans un article publié en 2024, il a été démontré que l'EMIT peut détecter depuis l'orbite des traces de polyéthylène haute densité (PEHD) et de polychlorure de vinyle (PVC) dans les grandes décharges et dans les zones agricoles où le plastique est utilisé comme film ou dans la structure des serres. Les scientifiques ont réussi à isoler ces signaux à l'échelle mondiale, révélant des sources de déchets plastiques sur plusieurs continents.

Ces résultats ont confirmé que la technologie hyperspectrale a le potentiel de surveiller le plastique depuis l'espace – du moins sur terre, où le signal est relativement propre et l'arrière-plan plus simple qu'en mer. L'étape logique suivante était la question suivante : la même approche peut-elle être appliquée un jour à la surveillance des déchets dans les océans ?

Comment fonctionne la « lecture d'empreintes » hyperspectrale

La base du succès de l'EMIT réside dans une technique connue sous le nom d'imagerie hyperspectrale ou de spectroscopie d'imagerie. Au lieu de décrire chaque point à la surface de la planète avec trois couleurs primaires (rouge, vert, bleu), l'instrument mesure la réflexion de la lumière dans des centaines de « bandes » étroites de longueurs d'onde. Chaque minéral, plastique ou matériau organique absorbe et réfléchit la lumière de manière unique, créant un spectre reconnaissable que les experts appellent souvent une « empreinte moléculaire ».

Le plastique, par exemple, présente dans le domaine infrarouge une série de raies d'absorption caractéristiques liées aux liaisons carbone-hydrogène dans les chaînes polymères. Différents types de plastique – polyéthylène, polypropylène, polystyrène, polyester et autres – présentent des nuances dans ces spectres, selon la structure chimique, la couleur et d'éventuels additifs. De cette manière, du moins en théorie, on peut distinguer depuis l'orbite non seulement la présence de plastique, mais aussi le type approximatif de polymère.

Mais pour que les satellites puissent reconnaître automatiquement de tels signaux dans des conditions réelles, il est nécessaire de disposer d'une base de référence spectrale étendue et standardisée pour une large gamme de déchets trouvés dans l'environnement. C'est là qu'Ashley Ohall et la nouvelle bibliothèque de données MADLib entrent en jeu.

MADLib : une bibliothèque mondiale d'empreintes de débris marins

Lors d'un stage à la NASA, l'océanographe Ashley Ohall a réuni une équipe internationale de chercheurs pour résoudre l'un des problèmes clés de la télédétection des débris marins : l'absence d'une bibliothèque unique et de qualité d'« empreintes » spectrales de différents types de déchets. Pendant des années, des laboratoires du monde entier ont mesuré la réflexion des plastiques et d'autres matériaux avec des spectromètres portables, mais les données restaient dispersées dans différentes bases de données, tableaux et publications, souvent dans des formats hétérogènes.

MADLib – MArine Debris hyperspectral reference Library collection – a été créé précisément pour tenter d'unifier ces données. Dans un article publié fin 2025 dans la revue Earth System Science Data, les auteurs indiquent que la bibliothèque contient 24 889 mesures hyperspectrales prises sur 3 032 échantillons de déchets, collectés à partir de 13 sources de données différentes. Elle comprend à la fois des matériaux plastiques et non plastiques : morceaux de cordes, filets de pêche, pneus, métaux, mousses, liège, verre, ainsi que des éléments d'emballage typiques tels que des bouteilles, des bouchons et des films. 

Une attention particulière a été portée au plastique, étant donné qu'il constitue la plus grande part des débris marins. La bibliothèque couvre les spectres de 19 polymères différents, les échantillons ayant été enregistrés dans différents états : neufs, partiellement « altérés » au soleil, recouverts d'algues, humides et secs, et même immergés dans l'eau. Les chercheurs ont strictement standardisé la méthode de collecte et de traitement des données, afin que les algorithmes ultérieurs puissent comparer sans problème les spectres de laboratoire avec ceux enregistrés depuis les airs ou l'espace.

En pratique, MADLib fonctionne comme un catalogue : lorsqu'un satellite ou un avion capture une image hyperspectrale de la surface de la mer, un algorithme peut comparer chaque pixel suspect avec des milliers d'« empreintes » connues de la bibliothèque. Si le signal correspond à un certain type de plastique ou d'autre déchet, le système peut marquer avec un certain degré de confiance qu'un type de matériau spécifique est présent à la surface de l'océan.

Pourquoi le plastique est-il plus difficile à trouver dans l'océan que dans une décharge

Si le plastique peut être vu dans les décharges et les serres, il est logique de se demander pourquoi nous ne pourrions pas le trouver tout aussi facilement à la surface de la mer. La réponse réside dans la physique de la lumière et les particularités de l'environnement aquatique.

L'eau de mer absorbe fortement le rayonnement infrarouge, précisément la région du spectre où le plastique présente ses caractéristiques les plus marquées. Alors que sur la terre ferme, les objets en plastique sont clairement visibles pour l'EMIT et les instruments similaires, dès qu'ils finissent dans l'eau, leur signal infrarouge s'affaiblit brusquement. Des problèmes supplémentaires sont créés par les vagues, l'écume et la réflexion de la lumière solaire (« sun glint ») sur la surface, qui peuvent masquer les différences subtiles de spectre entre le plastique et, par exemple, les algues marines ou les matières organiques naturelles.

Une autre difficulté est l'ampleur du problème. Bien que les médias mettent souvent en avant les grandes « îles de déchets » comme celle du Pacifique Nord, la majeure partie du plastique se trouve sous forme de fragments relativement petits dispersés sur un espace immense. Un satellite hyperspectral qui observe la surface de la mer depuis une altitude de plusieurs centaines de kilomètres doit simultanément :

– distinguer de très petits objets dans des pixels de plusieurs dizaines de mètres  
– différencier leur spectre de matériaux naturels souvent très similaires  
– faire face aux changements d'éclairage, de turbidité de l'eau et de conditions atmosphériques.

C'est pourquoi les experts soulignent que l'EMIT et les instruments similaires fonctionnent actuellement mieux sur les sources terrestres de pollution plastique – par exemple le long des rivières, des décharges ou des zones industrielles proches de la côte – où l'arrière-plan est relativement « propre » et où il est possible de cartographier les points chauds avant même que les déchets n'atteignent la mer. 

Mais parallèlement, des expériences sont menées combinant des données de plusieurs capteurs et de différentes plateformes – des satellites et avions de recherche aux drones et mesures depuis des navires – afin de trouver la stratégie optimale pour détecter le plastique dans l'océan lui-même.

Satellites, avions et intelligence artificielle : une nouvelle génération d'outils

La NASA et les institutions partenaires ont consenti des efforts importants ces dernières années pour développer des algorithmes capables de reconnaître automatiquement les « îles » de débris marins à partir d'images satellites. À cette fin, on utilise aussi bien les images accessibles au public du système européen Sentinel-2 que des satellites commerciaux à haute résolution spatiale. Dans l'un des projets, publié via le programme IMPACT de la NASA, des scientifiques entraînent des réseaux neuronaux profonds à repérer des plaques de déchets à la surface de la mer en comparant des milliers d'exemples annotés.

Les bases de référence telles que MADLib jouent un rôle clé dans de tels systèmes. Elles permettent aux algorithmes de ne pas se fier uniquement à l'« apparence » de l'objet dans le spectre visible, mais aussi aux différences plus fines du signal hyperspectral. À l'avenir, on s'attend à ce que de tels modèles soient utilisés en combinaison avec de nouvelles missions comme la mission PACE (Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem) de la NASA, lancée en 2024, qui met en orbite un autre instrument hyperspectral avancé pour mesurer la couleur de l'océan. Bien que PACE n'ait pas été conçu exclusivement pour le plastique, sa sensibilité aux changements des propriétés optiques de la couche de surface de la mer pourrait aider à distinguer les zones présentant une concentration accrue de débris marins. 

Parallèlement, des ensembles de données spécialisés pour l'apprentissage automatique sont en cours de développement, combinant des images satellites, des mesures de terrain et des positions de débris marins annotées manuellement. L'objectif est de créer un écosystème robuste où les nouveaux algorithmes peuvent être testés et comparés, et les résultats utilisés dans de réels systèmes opérationnels de surveillance maritime.

Des cartes mondiales aux décisions locales

Pourquoi est-il important de savoir exactement où se trouvent les nappes de débris marins et quels types de plastique dominent ? La réponse est simple : sans données précises dans l'espace et dans le temps, il est difficile de concevoir des mesures efficaces.

Si les observations satellites montrent que certains types de plastique s'accumulent le plus aux embouchures de rivières spécifiques, c'est un signal pour les autorités locales qu'il faut renforcer le contrôle des décharges et des systèmes de collecte des déchets dans ces bassins. S'il s'avère que le matériel de pêche ou d'aquaculture constitue une part importante des déchets dans une zone donnée, les régulateurs peuvent orienter les politiques vers de meilleures normes d'étiquetage et de retour du matériel, des systèmes de consigne ou des incitations pour des alternatives.

La cartographie des « points chauds » de plastique à proximité des régions touristiques aide à planifier le nettoyage des plages et les campagnes éducatives, et les informations sur les types de matériaux peuvent être cruciales pour l'industrie du recyclage qui développe des technologies pour le traitement de polymères spécifiques. Pour les scientifiques, de telles données ouvrent la possibilité de lier le mouvement des déchets aux courants marins, aux modèles climatiques et aux changements des écosystèmes.

C'est pourquoi les experts soulignent que le travail actuel sur l'EMIT et MADLib n'est que la phase initiale : pour que la technologie hyperspectrale soit véritablement intégrée dans la gestion quotidienne des mers, il est nécessaire de relier les données satellites au suivi local, au cadre juridique et aux décisions économiques.

Les personnes derrière la technologie : motivation et espoir

Derrière les chiffres et les termes techniques se cachent des personnes concrètes. Ashley Ohall, originaire de Floride, a grandi près d'une côte où les traces de plastique sont de plus en plus évidentes. Dans ses déclarations lors de la publication de MADLib, elle a souligné que son objectif était de montrer comment la télédétection peut devenir un outil fiable pour la surveillance des débris marins – et que le fait que quelque chose n'ait pas été possible jusqu'à présent ne signifie pas que cela ne puisse être réalisé à l'avenir. 

Au niveau du siège de la NASA à Washington, les programmes soutenant ces recherches sont coordonnés au sein des départements d'océanographie et de biogéochimie. La chercheuse Kelsey Bisson souligne que les gens ont un lien intuitif, presque émotionnel, avec la mer et sa santé, et que c'est précisément pour cela que la mission de l'agence est d'utiliser une technologie de pointe pour répondre à ce défi mondial. De son point de vue, le suivi des débris marins est une extension naturelle de la tradition de la NASA consistant à utiliser les satellites pour résoudre des problèmes d'importance sociale – de la qualité de l'air à la sécurité alimentaire. 

Une attitude similaire est partagée par la communauté scientifique plus large réunie autour de groupes de travail internationaux pour la télédétection des débris marins. L'accès ouvert aux données, une méthodologie transparente et la coopération entre océanographes, experts en télédétection, programmeurs et décideurs sont des conditions préalables pour que des techniques comme l'imagerie hyperspectrale puissent être appliquées hors du laboratoire.

Ce qui suit : du prototype au système opérationnel pour la préservation des océans

Actuellement, la capacité de l'EMIT à reconnaître le plastique sur terre et la bibliothèque MADLib qui standardise près de 25 000 enregistrements spectraux constituent les fondements du futur système de surveillance des débris marins depuis les airs et l'espace. Sur ces bases, des prototypes d'algorithmes sont déjà en cours de construction, qui fusionneront différentes missions satellites, modèles météorologiques et mesures de terrain.

Les étapes suivantes comprennent :

• poursuivre l'extension des bases de données spectrales, en particulier pour le plastique dans différentes conditions en mer (couverture d'algues, biofilm, diverses épaisseurs de la couche d'eau au-dessus des déchets)
• développement de méthodes combinant les données hyperspectrales multi-spectres et les images visuelles haute résolution des satellites commerciaux
• harmonisation des nouvelles missions satellites – comme PACE et des missions spécialisées prévues pour la surveillance des débris marins – avec les besoins des États côtiers et des organisations internationales
• construction de centres opérationnels qui transformeront les données en cartes pratiques et alertes pour les autorités compétentes en temps réel ou quasi réel

Bien que le chemin vers cet objectif soit long, la combinaison de données spectrales précises, d'algorithmes avancés et de capteurs satellites toujours plus puissants offre un nouveau type de « radar » pour le plastique – un radar qui ne dépend pas d'expéditions occasionnelles et de collectes d'échantillons manuelles, mais qui peut surveiller en continu la planète entière. Dans un monde où le plastique façonne de plus en plus les écosystèmes, la capacité de suivre depuis l'espace où il se trouve et où il voyage pourrait devenir l'un des outils clés des efforts pour préserver la santé des océans pour les générations futures.

Sources :
- NASA / Phys.org – rapport sur l'utilisation du capteur EMIT pour la détection des déchets plastiques et le développement de la bibliothèque spectrale MADLib link
- NASA – page officielle de la mission EMIT avec description de l'instrument, des objectifs et du statut de la mission sur la Station spatiale internationale link
- Earth System Science Data – travail scientifique « The MArine Debris hyperspectral reference Library collection (MADLib) » (Ohall et al., 2025), description de la base de 24 889 spectres issus de 3 032 échantillons de déchets link
- 4TU Research Data – dépôt avec l'ensemble complet des spectres MADLib et les métadonnées associées pour le développement d'algorithmes de télédétection des débris marins link
- NASA Earthdata / NASA IMPACT – projets et articles de blog sur l'utilisation de l'intelligence artificielle et des satellites commerciaux pour la détection des débris marins et contexte plus large de la télédétection du marine debris link
- UNEP – aperçu de la pollution plastique des mers et estimations selon lesquelles plus de 11 millions de tonnes de plastique entrent chaque année dans les océans, avec un accent sur la nécessité d'une réponse mondiale link