La gravimétrie par satellite

Source : http://maisondelascience10.free.fr

Introduction

La gravimétrie spatiale est une méthode assez récente puisqu'elle repose sur l'observation de la Terre à partir d'un satellite. Elle a vu le jour dans les années 70. C'est une étude de la masse terrestre à grande échelle, permettant de connaître la forme complexe du globe et ses variations, marées océaniques et terrestres. Cette technique représente une belle avancée de la Recherche dans ce domaine et les applications sont aussi intéressantes que variées.

Principe

Le mouvement d'un objet en orbite autour d'un astre dépend directement de la répartition des masses de cet astre. Si la Terre était sphérique et homogène, ses satellites suivraient des trajectoires parfaitement elliptiques, selon les lois de Kepler. Mais elle n'est ni sphérique ni homogène. Par conséquent, son champ gravitationnel est irrégulier et ceci vient perturber la trajectoire des satellites. En mesurant cette trajectoire précisément, on peut donc déterminer la répartition des masses de la Terre.

Méthodes

Voici plusieurs méthodes de détection de la position d'un satellite, présentées dans l'ordre chronologique d'utilisation.

Starlette et Stella

La première méthode consiste en la mise en orbite basse d'un satellite passif. Des stations de mesures au sol envoient des rayons infrarouges en direction du satellite, qui les renvoie à l'aide de ses rétro-réflecteurs. Les stations calculent alors le temps de parcours de la lumière et en déduisent la distance station-satellite.

Starlette et Stella sont deux satellites français lancés en orbite à environ 800 km d'altitude en 1975 et 1993 respectivement. Ils sont sphériques et massifs, mesurent 24 cm de diamètre et pèsent 47 kg. Leur unique vocation est de renvoyer la lumière aux stations de mesures, selon la méthode décrite précédemment. Ces deux satellites sont de type LAGEOS, dont voici une photographie :

Source : http://fr.wikipedia.org

Mission CHAMP

Afin d'accroître la précision des mesures, il a fallu diminuer l'altitude de l'orbite du satellite utilisé. Mais en agissant comme tel, on se heurte au problème des forces atmosphériques qui introduisent des accélérations parasites dont il faut s'affranchir. Pour ce faire, des accéléromètres sont intégrés au satellite et reliés à un système correcteur, afin de ne garder que les accélérations dues aux variations de densité de la Terre.

La deuxième méthode de détection de la position d'un satellite utilise la constellation GPS. Le satellite chargé de mesurer les variations du champ gravimétrique terrestre comporte un récepteur GPS qui communique avec les satellites de positionnement, orbitant eux-même à plus haute altitude.

La mission CHAMP (CHAllenging Mini-satellite Payload) consiste en la mise en orbite d'un satellite allemand mesurant les champs gravitationnel et magnétique de la Terre, selon la deuxième méthode exposée. Il a été lancé en juillet 2000 à 454 m d'altitude, pour 5 ans de mesures. Il comportait entre autre 3 accéléromètres pour corriger les accélérations atmosphériques dans les 3 directions, et un système de communication GPS. Les données étaient acquises à la fréquence d'une fois par seconde et enregistrées sur un disque dur intégré, puis envoyées à une station au sol lorsque la visibilité le permettait.

Plus gros que Starlette et Stella, CHAMP mesurait 1,62 m de large sur 8,33 m de long, pour une masse de 522 kg. En voici une vue de dessus :

Source : http://www-app2.gfz-potsdam.de

Mission GRACE

La méthode suivante est une méthode différentielle, requérant un deuxième satellite. C'est alors la différence de mesure entre les deux satellites que l'on calcule. Ces satellites sont similaires à CHAMP mais ne mesurent pas le champ magnétique. Ils se suivent à une distance de 150 à 300 km et entretiennent une liaison micro-onde de précision micrométrique, ajoutée au lien GPS avec les satellites de positionnement.

Ainsi, deux satellites americano-allemands furent lancé en 2002 à environ 500 km d'altitude, pour 5 ans de mesures. La mission fut nommée GRACE, qui signifie Gravity Recovery And Climate Experiment. Distants d'environ 220 km l'un de l'autre, les deux satellites appelés Tom et Jerry font des mesures statiques et temporelles du champ gravitationnel : statiques, par le positionnement à l'aide de la constellation GPS dont la précision est considérablement accrue par le lien micro-onde entre Tom et Jerry ; temporelles, parce que le binôme repasse au même point tous les 15 jours et peut ainsi mesurer les variations de la gravité.

Source : http://www.csr.utexas.edu

Mission GOCE

Une fois de plus, augmentation de la précision, diminution de l'altitude, renforcement de l'équipement de compensation des frottements atmosphériques : utilisation de moteurs ioniques à poussées hautement variables. C'est la première mission dite à traînée compensée.

Il s'agit ici de cartographier le champ gravimétrique terrestre à une résolution exceptionnelle, rendue possible grâce à l'amélioration des équipements précédemment utilisés et la diminution de l'altitude. On mesure la partie statique ou moyenne, ainsi que les gradients (variations dans les trois directions spatiales) du champ de pesanteur.

Aujourd'hui, à l'aube de l'année 2010, le satellite de la mission GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) est encore en action. Il a été lancé le 17 mars 2009 de Plesetsk pour deux phases d'observations de six mois chacune, vingt mois au total ; il orbite à une altitude moyenne de 265 km. La position précise du satellite est déterminée grace à la combinaison d'un GPS et d'un réflecteur laser et les gradients gravimétriques sont mesurés à l'aide de trois paires d'accéléromètres à trois axes chacuns. Ceci permet de tracer une carte gravimétrique précise de la Terre, de déterminer le niveau moyen des océans et d'affiner notre modèle du géoïde (forme de la Terre) à une précision de l'ordre du centimètre. La mission GOCE apporte donc des informations très utiles en géophysique, en océanographie et en géodésie.

Source : http://www.esa.int