Vous êtes ici : Accueil / Services d'Observations / Positionnement Spatial DORIS / Activités / Géodésie spatiale

Géodésie spatiale

Par LEGOS Dernière modification 04/02/2014 10:40
Géodésie spatiale, Terre solide et Enveloppes fluides

Science très ancienne, la géodésie a eu longtemps pour objet la mesure de la forme et des dimensions de la Terre. Depuis quelques décennies, la géodésie utilise les observations collectées par les satellites artificiels. Celles-ci ont relevé quantité d’informations sur la forme complexe de la Terre et son champ de gravité, sur les fluctuations de la rotation de la Terre, sur les déformations globales, régionales et locales de la croûte terrestre en relation avec la tectonique des plaques, l’activité sismique et volcanique, les surcharges atmosphériques, océaniques et hydrologiques sur la dynamique du noyau interne, et depuis peu sur la dynamique océanique, le niveau de la mer, les niveaux d'eau des réservoirs continentaux de surface et stocks d'eau des sols, de neige sur les continents et le bilan de masse des calottes polaires, en liaison avec les variations climatiques globales. Les outils classiques de la géodésie spatiale sont des mesures de distance et de vitesse relative entre des réseaux de stations au sol et un satellite. Ces mesures sont utilisées pour calculer la trajectoire du satellite dans l’espace dont la connaissance est utilisée à son tour pour déterminer les forces agissant sur le satellite, notamment le champ de gravité de la Terre et ses variations avec le temps. Avec l’orbite sont aussi calculés divers paramètres géodésiques tels que la position et le déplacement des stations terrestres, la vitesse de rotation de la Terre et le mouvement de son axe de rotation, le mouvement du centre de masse de la Terre, etc. La géodésie spatiale utilise aussi différents capteurs embarqués sur satellite, permettant de cartographier directement certaines propriétés de la surface. L'altimétrie radar permet en particulier de cartographier la surface de la mer et ses variations spatio-temporelles. Enfin, les nouvelles missions de gravimétrie spatiales (ex. GRACE) utilisent des techniques de poursuite inter satellites.

Le champ de gravité


L’étude des orbites des satellites géodésiques a permis d’établir des cartes très précises du champ de gravité de la Terre à grandes longueurs d’onde. Les variations géographiques du champ résultent de la répartition de la matière dans les différentes enveloppes du globe. Des résultats majeurs ont été obtenus à partir du champ de gravité sur la structure convective à grande échelle de la Terre. A courtes longueurs d’onde (10-500 km), le champ de gravité a été cartographié au-dessus des océans avec beaucoup de détails par les satellites altimétriques. Ceux-ci ont révélé la grande complexité des structures tectoniques des fonds marins. Aujourd'hui, avec la mission de gravimétrie spatiale GRACE, la précision du champ de gravité "permanent" est améliorée d'un facteur 10 par rapport aux meilleurs modèles basés sur les perturbations d'orbite.


Déformations crustales et tectoniques des plaques


Depuis plusieurs années, les déformations crustales à différentes échelles sont principalement mesurées grâce aux techniques spatiales. L’imagerie optique des satellites SPOT a permis la cartographie globale des failles actives continentales avec une très haute résolution. Les déformations des régions aux frontières des plaques ont été largement étudiées à l’aide du système de positionnement GPS avec une précision du mm/an. L’interférométrie radar, développée dans les années 1990, s’est avérée extrêmement puissante pour l’étude des déformations co et post sismiques, des déformations volcaniques et l’étude des déformations des glaciers, des glissements de terrain, les subsidences du sol dues au pompage de l’eau, du pétrole ou du gaz, etc... Les systèmes de géodésie spatiale DORIS, Laser, GPS et VLBI ont permis la mesure très précise des mouvements actuels des plaques tectoniques et ont montré que ceux-ci sont identiques aux mouvements moyens des trois derniers millions d’années.


Variations temporelles du champ de gravité


Les techniques de géodésie spatiale permettent depuis peu de mesurer les variations temporelles du champ de gravité, ou ce qui est équivalent du géoïde. Ces variations, principalement saisonnières et interannuelles, d'amplitude inférieure au cm sur la hauteur du géoïde, résultent de redistributions de masse d’air dans l’atmosphère et d’eau dans les océans, l’atmosphère, les réservoirs continentaux et les calottes polaires. Des études récentes basées sur les observations de la mission spatiale GRACE montrent qu'il est possible de mesurer les fluctuations des stocks d'eau dans les sols et du manteau neigeux sur l'ensemble des continents, apportant des informations importantes sur le cycle hydrologique continental et son lien avec la variabilité climatique et les effets anthropiques. GRACE permet aussi de mesurer les bilans de masse des calottes polaires.


La rotation de la Terre


On sait depuis longtemps que les fluctuations de la rotation de la Terre résultent pour l'essentiel des variations du moment cinétique des vents zonaux de l’atmosphère. Des études récentes ont montré que le moment cinétique des courants océaniques joue aussi un rôle significatif. Les mesures très précises de la rotation de la Terre par géodésie spatiale permettent d’estimer le moment cinétique des océans, paramètre important pour les modèles généraux de circulation des océans.

Les mouvements verticaux de la croûte terrestre


Contrairement aux mouvements horizontaux dus principalement à la dérive des grandes plaques tectoniques, les mouvements verticaux de la croûte ont des origines très diverses : rebond post-glaciaire, déformations sismiques et volcaniques, subsidences d'origine anthropique, déformations dues aux charges en surface, aux redistributions de masse d'air et d'eau dans les enveloppes fluides de surface. Les techniques de géodésie spatiale (DORIS, Laser, GPS, VLBI) permettent aujourd'hui de mesurer ces mouvements dont l'amplitude est faible (1-10 mm/an). Ces résultats permettent de mieux comprendre les phénomènes à l'origine de ces déformations.


Les mouvements du centre de masse de la Terre


Dans un système de référence lié à la Terre solide, le centre des masses du système Terre (incluant les enveloppes fluides de surface) n'est pas fixe. Ce mouvement, de quelques mm d'amplitude seulement, dont la composante principale est saisonnière, résulte des redistributions de masse dans l'atmosphère, les océans, les réservoirs d'eaux continentales. La géodésie spatiale est à présent capable de mesurer les mouvements du géocentre. Comme pour les variations temporelles de la gravité, ces observations apportent des contraintes sur les modèles décrivant les échanges d'eau dans les enveloppes fluides de surface.


Variations du niveau moyen de la mer


Une application importante de l'altimétrie spatiale est le suivi des variations du niveau moyen global de la mer avec une haute précision, une couverture globale et une haute résolution temporelle. Ces variations résultent de modifications  des diverses composantes du système climatique en réponse au réchauffement global. Les satellites Topex-Poseidon et Jason-1 ont permis de détecter une élévation du niveau global de la mer de ~3 mm/an depuis 1993. A l'échelle de temps saisonnière, les variations du niveau global de la mer ont pour cause principale les échanges d'eau avec les continents et tout particulièrement la neige des hautes latitudes de l'hémisphère nord. A l'échelle de temps interannuelle, la hause du niveau moyen de la mer résulte principalement de l'expansion thermique des océans et de la fonte des glaces continentales.


Hydrologie spatiale


L'étude des enveloppes fluides de surface (océans, eaux continentales, calottes glaciaires) et de leur évolution en réponse au changement climatique global, bénéficie de plus en plus de l'observation spatiale. Grâce à l'altimétrie spatiale on mesure aujourd'hui en routine les niveaux d'eau des lacs, des fleuves et des plaines inondées. Dans certaines conditions les variations des niveaux d'eau des fleuves peuvent être converties en débits. En combinant altimétrie et imagerie radar ou visible, on peut mesurer aussi les variations spatio temporelles des volumes d'eau de surface. Enfin, comme mentionné ci-dessus, la gravimétrie spatiale permet de quantifier les fluctuations des stocks d'eau (eau des sols, eaux de surface, eaux souterraines, manteau neigeux) sur l'ensemble du domaine continental. Cette nouvelle technique renseigne aussi sur les bilans de masse des calottes polaires et sur les variations de masse des océans.

Actions sur le document

logo cnes logo IRD Logo université de Toulouse Logo université Paul Sabatier Logo CNRS
Logo bibliothèque OBS Logo Observatoire Midi Pyrénées