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FAQ - Climat |
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Pourquoi la connaissance
précise du champ de gravité terrestre est-elle si importante pour le
climat ? Quels sont les moyens de mesures actuels ? François Barlier - Novembre 2010 |
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Nous sommes tous familiers de l'effet de l'attraction gravitationnelle de la Terre : quand un objet tombe, c'est sous l'effet de la pesanteur, et la force à laquelle il est soumis est d'autant plus forte que sa masse est importante. C'est une des forces de la nature observée déjà par Aristote, puis modélisée successivement par Galilée, Newton, Lagrange, Hamilton, Einstein.
Toute masse à la surface de la Terre, et en rotation avec elle, est soumise à l’attraction gravitationnelle de la planète et des autres corps célestes (Lune, Soleil, planètes) ainsi qu'à la force centrifuge due à la rotation de la Terre. La résultante de ces forces est la pesanteur ou gravité. La pesanteur est une force communiquant à une unité de masse une accélération g, laquelle est variable dans l'espace et dans le temps. Dans un repère euclidien, la masse est invariable.
Dans le système International d’Unités (SI), l’unité de d'accélération est le m/s2 (ms-2). L'accélération de la pesanteur au niveau de la mer est en moyenne g = 9,81 ms-2. Les variations de pesanteur liées à l'aplatissement aux pôles, à l'altitude, aux marées... se situent dans des ordres de grandeur allant de 10-3 à 10-9 ms-2. C'est ainsi qu'une personne ayant une masse de 80 kg au niveau de la mer correspondant à un poids de 784,8 Newton pèse seulement 782,4 Newton dans un avion volant à 10 000 m. Pour exprimer ces anomalies de pesanteur qui sont très faibles, les scientifiques ont coutume d'utiliser une unité auxiliaire, le gal = 1 cm/s2 ou 1cms-2 et surtout le milligal = 10-5 ms-2, mais aussi le microgal = 10-8 ms-2 ou le nanogal =.10-11 ms-2 Cette unité est plus pratique pour les mesures gravimétriques. Son nom, le gal, a été choisi en l'honneur de Galilée.
La Terre est hétérogène et non uniforme : elle est formée d'éléments très différents : l'atmosphère, les continents, les océans, les glaciers, les eaux continentales, les glaces polaires.... Tous ces éléments ont des masses différentes, donc leur contribution au champ de pesanteur (champ de gravité) est différente. La résultante constitue le champ de gravité terrestre. De plus certains éléments ont des masses qui évoluent au cours du temps : par exemple, des variations du contenu en eau de l'atmosphère ou la fonte des glaces ont des effets sur la masse de l'océan... Ces variations peuvent être saisonnières, mais aussi correspondre à la perte de masse ou gain de masse d'une région du globe. Le champ de gravité terrestre peut donc varier en fonction du temps, à court terme et à plus long terme. Il est d'un grand intérêt de connaitre en permanence et de façon précise l'évolution du champ de gravité sur des périodes de plusieurs années. On peut ainsi observer les redistributions de masses d'air dans l'atmosphère et d'eau, liquide ou solide, dans les océans ou les calottes glaciaires.
Il y a bien longtemps que l'on mesure l'accélération de la pesanteur en différents points de la Terre à l'aide d'accéléromètres.
Les premiers satellites, dont l'objet n'était pas la gravimétrie, ont cependant permis de recueillir des informations précises sur le champ de gravité grâce à l'étude de leur orbite. En effet, ces satellites sont soumis au champ de gravité de la Terre et des corps célestes dont l'action déforme au cours du temps leurs trajectoires. L’analyse de ces déformations pour un grand nombre de satellites, sur une longue période de temps, d'abord par télémétrie laser, puis à l'aide du système d'orbitographie DORIS, a permis de mieux connaître le champ de gravité terrestre avec une précision de quelques milligal.
Depuis 2000, des satellites dédiés à la mesure du champ de gravité, avec des sensibilités bien plus grandes, ont enfin été mis en service. Le premier, CHAMP, lancé en 2000, était dédié à la mesure du champ de pesanteur et du champ magnétique. Les deux suivants, GRACE, lancé en 2002, puis GOCE lancée en 2009, sont uniquement dédiés à la mesure du champ de gravité et figurent parmi les moyens de mesure les plus précis dont on dispose. Ces gains considérables de sensibilité permettent d'accéder aux redistributions de masse liées aux variations climatiques, saisonnières ou non.
La décennie pour l’étude du
champ de gravité avec trois satellites CHAMP, GRACE, GOCE, revue, impact climatique de GRACE,
plaidoyer pour son renouvellement. Le satellite CHAMP
Le satellite allemand CHAMP est retombé le 19 septembre 2010 après 10 ans, deux mois et quatre de jours de vie orbitale et de très bon fonctionnement. Il était initialement prévu pour une durée d’environ cinq ans. Une activité solaire relativement plus faible qu’attendue a conduit à ralentir la chute du satellite et a rallongé sa vie orbitale.
Ce satellite était dédié à une meilleure détermination du champ de gravité terrestre, à celle de son champ magnétique et de certains paramètres de son atmosphère. Son nom (exprimé en français involontairement) était particulièrement bien choisi pour l’étude des champs magnétique et gravitationnel. Le lancement avait eu lieu le 15 juillet 2000 sur une orbite inclinée de 87° sur l’équateur et à une altitude moyenne initiale de 450 km.
Crédit CNES
Il était équipé d’un récepteur GPS pour assurer une couverture permanente et continue de la poursuite du satellite. À sa surface étaient installés des rétro-réflecteurs laser pour permettre de valider et d’améliorer la précision de la trajectographie. Il y avait aussi à bord un accéléromètre de l’ONERA financé par le CNES dans le cadre d’une coopération franco-allemande avec le GFZ à Potsdam. Cet accéléromètre appelé «Star» aux performances remarquables suivantes :
avait pour but de déterminer aussi bien que possible les forces non-gravitationnelles agissant sur le satellite. On a pu ainsi estimer la densité totale de l’atmosphère supérieure de la terre de quelque 200-300 km d’altitude jusqu’à 450 km avec ses variations temporelles et spatiales.
CHAMP était le premier satellite d’une série de trois satellites dédiés spécifiquement à l’étude du champ de gravité terrestre et à ses variations temporelles et spatiales.
La mission GRACE
On a pu écrire que la période 2000-2010 a été la décennie du champ de gravité. Deux autres missions spatiales sur ce thème avec des performances uniques qui bouleverseront nos connaissances ont été en effet lancés après CHAMP :
Comme on peut le décrypter dans le sigle en anglais, GRACE joue un rôle très nouveau en climatologie. Il rend possible l’étude des transferts de masses relativement importants en météorologie et en climatologie dans la cryosphère, l’atmosphère, l’hydrosphère ; il est aussi en mesure de quantifier des transferts de masse non négligeables dans la terre solide lors de certains tremblements de terre et aussi en liaison avec le rebond post-glaciaire à une échelle de temps séculaire. Aujourd’hui un article excellent d’Anny Cazenave (LEGOS/Toulouse) et de Jianli Chen (Université du Texas) vient d’être publié par Elsevier dans "Earth and Planetary Science Letters", et confirme ce rôle attendu de GRACE et en fait la synthèse sous forme d’une série de planches illustratives, après 8 années de recueil de données sur une durée sensiblement plus grande que prévue, ce dont la communauté se réjouit beaucoup. La décision d’en assurer financièrement le fonctionnement jusqu’au bout de sa vie a d’ailleurs été prise en juin 2010.
Comme on peut le montrer, l’information originale et unique pour la connaissance du champ de gravité avec ses variations temporelles est fondée sur la connaissance ultra-précise de la distance inter-satellite avec une précision de l’ordre du micromètre. On utilise pour cela une liaison micro-onde dans la bande de fréquence K (18 à 26 GHZ) qui permet d'évaluer leur distance et leur vitesse relatives.
Crédit CNES
Ces satellites ont chacun à leur bord un accéléromètre «SuperStar» de l'Onera, qui possède une résolution 30 fois supérieure à celle de l’accéléromètre «Star» de CHAMP :
Cela permet de distinguer la part des effets non gravitationnels dans
l’origine des variations de distance des effets gravitationnels proprement
dits. Comme pour CHAMP ces satellites ont aussi à bord un récepteur GPS et
des réflecteurs laser pour compléter l’instrumentation et s’assurer de la
meilleure trajectographie possible, ainsi que des viseurs d’étoiles pour
déterminer l’assiette ou l’attitude des satellites.
Dans ce diagramme, on voit que GRACE mesure la somme de transfert de masse de l’eau ayant plusieurs origines :
- eau dans l’humidité des sols (soil moisture),
- eau dans la biosphère (biosphere),
- eau de surface (surface water),
- neige et glace (ice and snow) ,
- eau en profondeur
(ground water).
Sur la figure ci-dessous, on voit la décroissance des quantités d’eau disponible dans le nord-ouest de l’Inde pour la période 2002-2009 déduite de GRACE (TWS ou Terrestrial Water Storage : la courbe bleue). On sait aussi estimer l’eau stockée sous forme d’humidité du sol à partir de données in situ (GLDAS ou Global Land Data Assimilating System, courbe rouge). La différence entre les deux courbes est représentée par la courbe verte. Des auteurs pensent que cette différence représente principalement ici l’eau stockée plus en profondeur dans le sol. C’est un premier exemple de ce qui peut être déduit des données de GRACE dans le domaine de l’hydrologie en combinaison avec les autres données sol. La tendance de la décroissance de l’eau dans cette partie de l’Inde pourrait être essentiellement d’origine anthropogénique : utilisation domestique excessive d’eau induite par une population trop nombreuse, nécessité d’irrigation des cultures nécessaires à la nourriture. Sur la carte donnée à droite, la couleur bleue indique une perte de masse, la couleur jaune ou rouge une accumulation de masse.
La figure suivante donne les variations de masse dans la cryosphère avec leur étendue spatiale. La couleur bleue indique une perte de masse, la couleur jaune ou rouge une accumulation plus ou moins grande de masse.
La figure ci-contre donne la décroissance de la masse de glace du Groenland exprimée en gigatonnes, entre 2002 et 2009.
Finalement la dernière figure donne, les changements observés et mesurés par GRACE dans le champ de gravité après le terrible tremblement de terre de Sumatra le 26 décembre 2004 celui qui a généré un tsunami dévastateur faisant de très nombreuses victimes. Ce changement est exprimé en micro Gal (10-8 ms-2). La couleur bleue correspond à une décroissance de masse et la couleur rouge à une augmentation. L’origine est liée à un déplacement des masses associé à ce tremblement de terre. La deuxième carte donne la modélisation de ces phénomènes qui est satisfaisante.
Conclusion sur GRACE
Le satellite GOCE
Le satellite GOCE dédié encore au champ de gravité terrestre est le 3ème de la décennie 2000-2010 ; il a été lancé avec succès par l’ESA le 17 mars 2009 à partir du cosmodrome de Plesetsk avec une fusée russe Rockot (voir la «news» de mars 2009). Sa trajectoire est inclinée sur l’équateur de 96°7 lui permettant de recevoir la quantité d’énergie électrique dont il a besoin. Comme son nom l’indique GOCE a pour objet principal de contribuer à l’étude de la circulation océanique en déterminant un géoïde à haute résolution. Le géoïde est un surface équipotentielle du champ de pesanteur représenté en première approximation par le niveau moyen des mers. La direction du fil à plomb est perpendiculaire à cette surface.
Les applications de ce satellite sont en fait très nombreuses et concernent notamment l’étude de la Terre solide d’une manière assez générale à partir de la connaissance du champ de gravité.
Le satellite a été conçu pour tourner à environ 250 km seulement
au-dessus de la surface de la Terre. Il faut souligner que ce satellite en
orbite à basse altitude est la première mission spatiale à employer la gradiométrie spatiale. La gradiométrie spatiale consiste en la mesure des
différences d’accélération sur de courtes distances d’un ensemble de masses
de référence à l’intérieur du satellite. Elles sont liées aux variations de
la gravité dans les différentes directions spatiales que l’on peut ainsi
déterminer. Ces mesures se font à l’aide de six accéléromètres (trois paires
dans chaque direction perpendiculaire) qui ont une sensibilité 100 fois plus
grande (10-12 ms-2) qu’aucun satellite ayant jamais volé n’a eu à bord et en
premier lieu «Superstar» à bord de GRACE.
En fait pour les interprétations géophysiques, il est aussi maintenant très important d’associer à ses trois missions sur le champ de gravité d’autres missions spatiales dédiés à l’environnement. On doit citer :
D’autres missions d’exploration de la Terre aborderont des thèmes spécifiques :
Il faut souligner que des missions plus anciennes comme celles des
satellites Lageos et Starlette continuent à jouer un rôle. Avec le recueil
de données gravimétriques faîtes au niveau du sol, elles forment un tout
extrêmement riche plein d’information sur notre environnement.
Références : Figure sur la décroissance de l'eau en fonction du temps : a) Averaged groundwater depletion in northwest India during the period April 2002 to August 2009. Groundwater variations are estimated from GRACEobserved total TWS (terrestrial water storage), minus GLDAS (Global Land Data Assimilating System) estimates of soil water. A two-step filter (P4M6 decorrelation+ 300 km Gaussian) is applied.
b) A significant mass decrease in northwest India (region circled bywhite
lines) is captured by GRACE, and is attributed to groundwater depletion in
the region (Rodell et al., 2009; Tiwari et al., 2009). GRACE mass rate
(Figure sur les variations de massesd 'eau) is based on CSR RL04 for the
period September 2002 to August 2009.
Global mass rate (units: cm/yr of equivalent water height rate) estimated
from GRACE time-variable gravity data (CSR RL04) for the period September
2002–August 2009,
Temporal evolution of Greenland ice mass from GRACE between 2002 and
2009(from Velicogna, 2009). a) Coseismic gravity changes (in μGal) due to the Sumatra–Andaman earthquake, computed from gravity changes between two different time periods before and after the earthquake;
b) Predicted coseismic gravity changes (in μGal) from seismic model,
inferred by combining vertical displacement and dilatation (from Han et al.,
2006).
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On peut
rappeler que cette mission américano- allemande GRACE se compose de deux
satellites orbitant dans le même plan à 490 km d’altitude moyenne et séparés
l’un de l’autre par environ 220 km ; l’inclinaison de leur trajectoire sur
l’équateur est de 89°9, ce qui en fait un satellite quasi-polaire de manière
presque parfaite.
