5 Mars 2012

2012 : 50 ans d'études sur le champ de gravité de la Terre

Le début de l’ère spatiale a marqué une révolution technologique mais aussi scientifique, en particulier dans le domaine de la géodésie/géophysique. La période juillet 1957-août 1958 avait été déclarée « Année Géophysique Internationale » et l’une des figures d’alors en géodésie qui dirigea le World-Wide Gravity Project, Weikko Heiskanen, déclarait lui-même : « Selon moi, nous ne sommes pas loin de la vérité lorsque nous disons que problème actuel le plus important en géodésie est la détermination des fluctuations du géoïde ».
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50 ans de résultats scientifiques

2012 : 50 ans d'études sur le champ de gravité de la Terre.


Le « Colombus Geoid » de l’Ohio State University, fondé sur des mesures de gravimétrie terrestre, a apporté la dernière ébauche pré-spatiale, très approchée et incomplète, de la forme gravifique (équipotentielle) de la Terre. Depuis, et notamment à partir du milieu des années 60, la course à la détermination globale du géoïde était lancée. Le premier modèle de géoïde du programme Standard Earth du Smithonian Astronomical Observatory, issu des données de suivi de satellites (par prise de vue optique sur fond d’étoile ou par effet Doppler-Fizeau sur des satellites émetteurs), est paru en 1966.

Le CNES est rentré dans le jeu dès les années 70 par son équipe GRGS (Groupe de Recherche de Géodésie Spatiale). Associée à une équipe allemande, aujourd’hui du GFZ (GeoForschungsZentrum-Potsdam), l’équipe de Géodésie Spatiale (GS) poursuit les développements de modèles de plus en plus précis.

Elle appréhende ainsi dorénavant les variations de la gravité sur Terre qui correspondent à des déplacements de masses aussi petites qu’un centimètre d’eau sur un bassin de 400km de côté, ce qui correspond à la détection depuis l’espace de variations de masse de l’ordre de 160 000 tonnes.

De quoi déterminer avec précision la fonte annuelle, mille fois plus importante, des glaces du Groenland (voir ci-dessous).

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Cartographie de la fonte annuelle des glaces polaires (en cm de hauteur d’eau équivalente), modélisée à partir de 7 ans de données GRACE.

Mais avant d’en arriver là, les mesures de suivi d’abord optique, puis Doppler et laser de quelques 40 missions spatiales ont été utilisées pour améliorer notre connaissance du champ de gravité. Le CNES a d’ailleurs été pionnier dans le lancement de satellites dédiés à la mesure de la gravité, tels Starlette en 1975 puis Stella en 1993. Ces petites sphères denses (48kg pour 24cm de diamètre), simplement équipées de réflecteurs laser pour être observées par les stations de suivi laser à une précision devenue millimétrique, ont apporté leurs lots d’information utile dans les modèles GRIM jusqu’à la fin des années 90.

Jusqu’en 2000, notre connaissance du géoïde a ainsi progressé en moyenne d’un facteur dix tous les dix ans, profitant de l’amélioration des systèmes de suivi et résultant d’une précision sans cesse accrue du calcul des orbites géodésiques, de la centaine de mètres au centimètre.

Ce gain a même subi une sérieuse accélération depuis l’an 2000 (voir ci-dessous), grâce successivement aux missions en orbite basse (<500km) dédiées à l’étude de la gravité telles CHAMP (DLR, 2000-2010), GRACE (NASA/DLR, 2002-) et GOCE (ESA, 2009-).

Evolution de la précision spectrale des modèles de potentiel gravitationnel GRIM et EIGEN en fonction des missions satellitaires. Il est à noter par exemple que la mission GOCE (courbe jaune) n’apporte une information pertinente qu’à courte longueur d’onde (< 300km) par rapport à GRACE (courbe verte).

Toutes trois ont bénéficié de la technologie des récepteurs embarqués GPS qui autorise un suivi d’orbite 3D continu ainsi que de celle des accéléromètres électrostatiques de l’Onera qui ont pour premier rôle d’isoler – en les mesurant – les accélérations de surface (principalement de frottement et de pression de radiation) de celles de gravité. Le CNES a notamment fourni l’accéléromètre STAR à bord de CHAMP et l’équipe GS a eu la responsabilité de la phase de validation de l’instrument.

La mission GRACE est, elle, composée de deux satellites jumeaux dont la mesure interférométrique de distance entre les deux satellites (toutefois biaisée) en bandes K/Ka est précise à quelques micromètres, précision inatteignable par un suivi terrestre du fait de la troposphère dans laquelle le retard des ondes n’est modélisable qu’à quelques millimètres près.

Cette mission a apporté un nouvel intérêt sur les études de gravimétrie depuis l’espace et démontré que l’observation orbitale relative et très précise entre deux satellites renseigne sur le transfert des masses en général et d’eau en particulier. Cette technique est efficace pour suivre globalement le déplacement des masses d’eaux continentale, polaire ou océanique (voir ci-dessous). Elle fournit une mesure intégrée au contraire de l’altimétrie spatiale, ce qui rend complémentaire la combinaison des deux techniques, par exemple pour différencier les effets stériques (1,1mm/an) des effets massiques (1,8mm/an) dans l’océan, ou encore les variations des eaux souterraines par rapport aux eaux de surface.

Elle a été transposée à la Lune pour affiner le champ de gravité sélène (mission GRAIL, NASA, 2011) et elle est encore plus prometteuse à l’avenir par l’utilisation d’un système laser interférométrique cent fois plus précis (mission GRACE-FO, NASA/DLR, 2017).

Evolution saisonnière (en 2007) des variations de masse cartographiées en hauteur de géoïde (sur ± 15mm, images du haut) et converties en hauteur d’eau équivalente (sur ±90cm, images du bas), à partir des données GRACE.

La mission GOCE lancée sur une orbite encore plus basse, à 255 km d’altitude, proposée par un consortium européen qui inclut le CNES, est fondée sur le principe d’une mesure in situ de la gravité par différentiation de l’attraction gravitationnelle des masses d’épreuve de 6 accéléromètres placés dans le satellite à 50cm de distance les uns des autres. La précision de mesure accrue à quelques 10-12m/s2/?Hz permet d’atteindre les plus petites longueurs d’onde, entre 300 et 150km.

Ainsi le modèle EIGEN-6 donne-t-il une référence précise et homogène des altitudes. Sur les continents, les corrections à un géoïde de référence antérieur, tel EGM2008, peuvent atteindre le mètre sur certaines zones comme l’Himalaya, l’Amazonie, l’Afrique équatoriale, l’Antarctique (voir ci-dessous).

Ecarts de hauteur de géoïde entre les modèles EIGEN-6 et EGM2008

Sur les océans, le nouveau modèle de géoïde permet de préciser la circulation générale océanique déduite de l’altimétrie spatiale jusqu’aux échelles de 100 km.

Topographie dynamique moyenne de l’Atlantique nord-ouest (filtrée à 100km), différence entre une surface océanique moyenne déduite de l’altimétrie spatiale et le géoïde EIGEN-6, les flèches indiquant l’amplitude et la direction des vitesses géostrophiques dérivées (source CLS).

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