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1995 : ERS-1 cartographie les fonds marins.
En 1995, grâce aux satellites GEOSAT et ERS-1, l'altimétrie spatiale s'impose pour obtenir une cartographie globale et régulière des fonds marins.
La pellicule d'eau constituée par les océans masque la topographie du fond de la mer et de ce fait, des planètes comme Mars ou Vénus sont mieux cartographiées que notre planète. Or, la topographie du fond marin constitue une donnée de base pour bon nombre de domaines scientifiques comme l’étude de la lithosphère océanique et la tectonique des plaques, l’océanographie, la biologie marine, l’environnement global.
Elle présente aussi des intérêts économiques et politiques comme le droit de la mer et la délimitation des zones économiques ou l’évaluation des ressources marines, vivantes et/ou minérales.
Non seulement, la surface actuellement couverte par des sondages bathymétriques in situ ne représente qu’environ 10% du domaine marin total mais la plupart de ces sondages est de qualité médiocre. Le bilan établi par Smith (1993) indique que 5% seulement des campagnes océanographiques ont bénéficié de sondeurs multi-faisceaux et d’un positionnement précis par GPS. McNutt (1996) a évalué à cinq milliards de dollars sur un siècle le budget nécessaire à une couverture complète du domaine. L’altimétrie spatiale constitue ainsi la seule possibilité actuelle de cartographie globale et régulière des fonds marins.
La topographie des fonds sous-marins est essentiellement une expression de la tectonique des plaques lithosphériques et du volcanisme de points chauds.
En plus des grandes structures de la tectonique (dorsales océaniques, zones de subduction, zones de fracture), cette topographie est aussi modelée par
- la contraction thermique du plancher océanique lorsqu’il s’éloigne de part et d’autre de la dorsale où il a été créé,
- la déflexion de la lithosphère sous l'effet de charges à sa surface,
- et la sédimentation.
Le volcanisme de points chauds, quant à lui, constitue la principale composante de moyenne à courte longueur d'onde (10 à 500 km) du relief sous-marin. Seule une couverture régulière et globale peut cartographier correctement des structures de cette taille, qui plus est disséminées sur l’ensemble du domaine océanique. C'est par conséquent la composante du relief la moins bien restituée par les données de campagnes océanographiques et celle qui a le plus bénéficié de la couverture globale et régulière offerte par l'altimétrie satellitaire. Les autres processus sont à plus grande longueur d’onde et sont correctement restitués par les mesures classiques.
Le niveau moyen des océans coïncide avec une surface équipotentielle du champ de gravité terrestre, le géoïde. Sa géométrie, avec des creux et des bosses de plusieurs dizaines de mètres d’amplitude, reflète les hétérogénéités de masse du fond de la mer et à l’intérieur du globe.
La topographie du fond de la mer produit des contrastes de densité dont la signature est très visible sur le géoïde. Par exemple, un volcan sous-marin génère des ondulations du géoïde de l’ordre de quelques mètres avec une extension géographique sur quelques dizaines à quelques centaines de kilomètres.
Les altimètres radar embarqués sur des satellites mesurent la distance entre le satellite et la surface instantanée de la mer. La trajectoire du satellite étant déterminée par suivi de son orbite, on obtient la hauteur instantanée de la mer au-dessus d’une surface de référence par simple différence entre ces deux mesures. Cette hauteur instantanée diffère du niveau moyen de la mer à cause de la présence de phénomènes météo-océanographiques (courants, circulation permanente, réaction aux variations de pression atmosphérique…) et des marées.
Depuis 1975, deux types de mission altimétrique co-existent :
- les missions océanographiques qui privilégient la répétitivité à la couverture spatiale.
- les missions géodésiques qui offrent une couverture dense au détriment de la répétitivité temporelle.
La mission géodésique de 18 mois du satellite américain GEOSAT en 1986 fut à cet égard spectaculaire : à la fin de son cycle, le satellite avait couvert l’ensemble du domaine océanique avec un intervalle entre les traces inférieur à 10 km.
Par la suite, une mission géodésique similaire a été réalisée en 1995 par le satellite ERS-1 de l’ESA, réduisant l’intervalle moyen entre les mesures à moins de 5 km.
Les données GEOSAT étaient initialement classifiées par l’US Navy. La libre diffusion des mesures d’ERS-1 par l’ESA a entrainé la déclassification des données GEOSAT et c’est la combinaison de ces deux missions qui a permis de cartographier les fonds marins par altimétrie avec une résolution au sol exceptionnelle.
Le calcul de bathymétrie à partir de hauteurs de la mer se fait par inversion de la loi de la gravité, faisant correspondre une anomalie de masse –i. e. un relief- aux ondulations du géoïde aux courtes longueurs d’onde. Deux méthodes ont été développées :
- la méthode spectrale de Sandwell et Smith (1994) a l’énorme avantage de la simplicité de mise en œuvre et de la rapidité des calculs
- la méthode d'inversion directe, développée par les auteurs (Calmant et al., 2001) est beaucoup plus lourde mais offre l’avantage de permettre un calcul de la bathymétrie incorporant directement les mesures altimétriques et les mesures de campagnes océanographiques, ainsi qu’une estimation de l’incertitude sur la bathymétrie restituée.
Les cartes globales de fonds marins par satellite ont permis une avancée spectaculaire dans la connaissance du relief sous-marin. Des milliers de petites structures sous-marines, rifts, cones volcaniques, zones de fractures, ont été identifiés à partir de ces cartes.
Ces cartes sont parmi les produits de télédétection les plus utilisés de part le monde, preuve a posteriori du besoin. Elles sont aussi parmi les produits qui auront couté le moins cher puisqu’aucune des missions satellitales utilisées n’avait été initialement programmée pour cet objectif. La résolution actuelle est de 5-10 km.
Une nouvelle mission CNES/NASA, Swot, devrait permettre, à la fin de la décennie, de progresser encore dans ce domaine. La résolution des cartes bathymétriques pourrait passer à 2-3 km grâce à la technique d’interferométrie radar et la détection de structures toujours plus nombreuses et plus fines.
Contacts
- Contact scientifique : Stéphane Calmant du Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (LEGOS)
- Responsable de la thématique Terre Solide : Mioara Mandea
