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

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 correspondant à un poids de 784,8 Newton au niveau de la mer, 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 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.

Le satellite CHAMP

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 :

• Résolution : 3•10^-9 ms^-2 /Hz^1/2

• Étendue de mesure : 10^-4 ms^-2

• Bande passante : 0.2*10^-3 à 10^-1 Hz

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 :

• GRACE lancé le 17 mars 2002 pour une durée de 5 ans, et

• GOCE lancé plus récemment le 17 mars 2009 pour une durée de 2 ans et plus espère-t-on comme pour GRACE.

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.

Crédit CNES

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.

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.

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 :

• Résolution : 1.0*10^-10 ms^-2 /Hz^1/2,

• Étendue de mesure : 5*10^-5 ms^-2,

• Bande passante : 0.1*10^-3 à 10^-1 Hz.

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.

Quelques résultats très importants de GRACE :
Depuis 2002, la mission GRACE a permis d’obtenir une détermination du champ de gravité et des ses variations spatiales et temporelles avec une précision sans équivalent jusqu’alors. C’est ce qui a rendu possible l'évaluation des transferts de masse entre les différentes composantes du système Terre (atmosphère, cryosphère, hydrologie continentale, océans). Cela a permis aussi d’approcher quantitativement des questions fondamentales comme le cycle de l’eau en liaison avec l’hydrologie continentale, l’atmosphère, les océans ou comme la question de la masse des calottes glaciaires et des glaciers continentaux, en liaison avec l’élévation du niveau moyen des mers et la masse globale des océans. Certains problèmes géophysiques de la terre solide et de la croûte terrestre peuvent aussi être abordés en liaison avec les régions sismiques, le rebond postglaciaire.
Voici quelques illustrations tirées de l’article de A.Cazenave et de J.Chen.

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

GRACE apparaît comme un outil unique et incontournable pour la surveillance et l’observation des changements de l’environnement terrestre dont il faudrait impérativement décider le renouvellement.

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.

GOCE grâce à une altitude moyenne de 250 km peut ainsi se concentrer sur une description très fine des détails du champ gravitationnel terrestre, ce qui est sa spécificité.

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 :

• les missions d’altimétrie spatiale (satellites Jason 1 et 2, satellite Envisat)

• et d’autres comme le satellite SMOS lancé en novembre 2009 pour la mesure de l’humidité des sols et la salinité de la mer (voir "news" de novembre 2009),

• Cryosat -2 lancé en avril 2010 dédié notamment à la mesure de l’épaisseur des glaces (voir la "news" d’avril 2010).

D’autres missions d’exploration de la Terre aborderont des thèmes spécifiques :

• Swarm, conçue pour observer l’évolution du champ magnétique (lancement prévu en 2012),

• ADM-Aeolus, pour étudier la dynamique atmosphérique (2011),

• EarthCARE, pour explorer le bilan radiatif terrestre (2013).

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.

Concernant GOCE, les premiers résultats obtenus avec des données validées sont tout à fait positifs et un premier modèle de champ de gravité a été déterminé en utilisant des données de GOCE. Pour bien mesurer l’impact de ces données pour établir une référence essentielle pour l’océanographie, le géoïde, il faut encore cumuler d’autres données. On espère pouvoir utiliser ce satellite pendant plusieurs années permettant d’obtenir les précisions espérées et d’atteindre ainsi les objectifs visés. On peut espérer avoir une exactitude de l’ordre de 1 à 2 cm sur le géoïde avec une résolution spatiale de l’ordre de 100 km. Pour GRACE, le progrès ne se situe pas seulement en termes de résolution spatiale mais aussi en en termes de résolution temporelle. Tandis qu’au début on devait cumuler des données pendant de nombreuses années, aujourd’hui on peut déterminer ce champ complet en seulement un mois voire moins et de suivre ainsi son évolution temporelle.

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.
Rodell, M., Velicogna, I., Famiglietti, J.S., 2009. Satellite-based estimates of groundwater depletion in India. Nature vol. 460, 20. doi:10.1038/nature08238 August 2009.
Tiwari, V.M., Wahr, J., Swenson, S., 2009. Dwindling groundwater resources in northern India, from satellite gravity observations. Geophys. Res. Lett. 36, L18401. doi:10.1029/2009GL039401.

Figure sur la variation de masse dans la cryosphère :

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,
with a two-step filter (P4M6 decorrelation+300 km Gaussian) applied (see Chen et al., 2008 for details). As atmospheric and oceanic mass changes have been removed during
GRACE dealiasing data processing (Bettadpur, 2007), signals over the oceans represent residual error, unmodeled atmospheric and oceanic signal and leakage from land.
Bettadpur, S., 2007. CSR Level-2 Processing Standards Document for Product Release 04, GRACE. The GRACE Project. Center for Space Research, University of Texas at Austin, pp. 327–742.
Chen, J.L., Wilson, C.R., Tapley, B.D., Blankenship, D., Young, D., 2008. Antarctic regional ice loss rates from GRACE. Earth Planet. Sci. Lett. 266, 140–148. doi:10.1016/j. epsl.2007.10.057

Figure surla décroissance de la masse de glace du Groenland :

Temporal evolution of Greenland ice mass from GRACE between 2002 and 2009(from Velicogna, 2009).
Velicogna, I., 2009. Increasing rates of ice mass loss from the Greenland and Antarctic
ice sheets revealed by GRACE. Geophys. Res. Lett. 36, L19503. doi:10.1029/2009GL040222
Figure sur les changements observés et mesurés par GRACE dans le champ de gravité après le tremblement de terre de Sumatra de 2004 :  

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).
Han, S.-C., Shum, C.K., Bevis, M., Ji, C., Kuo, C.-Y., 2006. Crustal dilatation observed by GRACE after the 2004 Sumatra–Andaman earthquake. Science 313, 658–662. doi:10.1126/science.1128661