Mécanique orbitale et champ de gravité de la Terre

Transcription

1 «40 ans du GRGS, » Mécanique orbitale et champ de gravité de la Terre R. Biancale, J.-M. Lemoine, S. Bruinsma, I. Panet «40 ans du GRGS, », 17 février 2011, Observatoire de Paris 1

2 Sommaire les outils les mesures les missions les modèles 2

3 GINS (Géodésie par Intégrations Numériques Simultanées) 1969: création de GIN (Chassaing-Roumiguier) introduction progressive - d algorithmes: Cowell amélioré, Encke (1992) - de modèles de force: marées océaniques (1982), macro-modèles (1991), atmosphère (1992), albédo (1993), stochastiques (2002), auto-ombrage (2009), hydrologie (2011) - de fonctions de mesures terrestres et planétaires 1992: version GINS multi-satellites 1997: développement sous gestion de configuration (Fortran90) 1999: mutualisation GINS terrestre et JEEP planétaire 2007: GINS-PC exporté sous licence en France, Australie, Belgique, Brésil, Chili, Chine 3

4 DYNAMO (opérations matricielles) Dynamo-B/C/W/D: réduction / cumul / pondération / résolution Dynamo-L: traitement des données de surface Méthodes semi-analytiques Codior (1975): intégration sur de longues périodes Outils d analyse de missions gravimétriques Select (1971): analyse des perturbations orbitales gravitationnelles Manege (1993): simulation analytico-numérique Slimfast (1994): simulation numérique pour orbites circulaires Panurge (1995): simulation numérique pour orbites excentriques Ephémérides planétaires (IMCCE) Inpop: intégration numérique planétaire 4

5 Les observations spatiales Optique : (σ ~ 2 ) TRANET : (σ ~ 2 mm/s) Laser : (σ ~ 1,5 m 5 mm) Altimétrie : (σ ~ 20 1 cm) DORIS : (σ ~ 0,3 mm/s) PRARE : (σ ~ 1 cm - 0,1 mm/s) GPS (GNSS): (σ ~ 1 cm - 5 mm) GRACE KBR : (σ ~ 10 µm 0,2 µm/s) Gravimétrie : (σ ~ 5 mgal - 1 µgal) Gradiométrie : (σ ~ 3 me/hz ) VLBI (σ ~ ps) DSN (σ ~ 0,3 0,06 mm/s) 5

6 Les missions proposées ou étudiées par le GRGS Geole (CNES), 1972: liaison micro-onde aller-retour Dorade (CNES), 1973: altimétrie Diabolo (CBES), 1973: liaison radioélectrique Slalom (CNES), 1977: liaisons radioélectriques / Spacelab Castor/Cactus (CNES/ONERA), 1975: accélérométrie Starlette (CNES),1975: laser Gradio (CNES), 1981: gradiométrie Poseidon (CNES), 1981: altimétrie Aristoteles (ESA), 1986: gradiométrie Doris/SPOT2 (CNES), 1990: réseau radioélectrique Topex/Poseidon (NASA/CNES), 1992: Doris/laser/altimétrie Stella (CNES), 1993: laser Bridge/Sargat (CNES), 1993: Doris/Accélérométrie Games (NASA/CNES), 1994: liaison laser inter-satellites/accélérométrie Goal (CNES/Brésil), 1995: GPS/accélérométrie Champ (DLR/GFZ), 2000: GPS/accélérométrie Grace (NASA/DLR), 2002: GPS/KBR/accélérométrie Goce (ESA), 2009: GPS/gradiométrie Micromega (CNES), 2009: GPS/liaisons inter-satellites E-motion (ESA/EE8), 2010: GPS/liaison laser inter-satellites 6

7 «40 ans du GRGS, » Modélisation globale «40 ans du GRGS, », 17 février 2011, Observatoire de Paris 7

8 Les fonctions harmoniques Amplitudes des coefficients sphériques de Stokes Ordre m (0 l) coefficients 8

9 Amplitudes des perturbations coefficients de gravitationnelles Stokes une orbite filtre et résonne [R/(R+h)] l e -2π h/ λ (λ= 2π R/ l). k n orb m θ Terre log10 (pert. 3-D) (m) Ordre m (0 l) CHAMP orbit : 450 km, 87 9

10 Courbes de précision estimée des modèles GRIM et EIGEN (par différence au modèle EIGEN-GL04S) gain en précision 25 en 25 ans (λ>=1600 km) 250 en 5 ans 10

11 Evaluation des modèles GRIM et EIGEN par différence par rapport au modèle GOCO01S (en hauteur de géoïde) Longueur d onde : 4000 km 800 km 400 km 267 km Résolution : 2000 km 400 km 200 km 133 km 11

12 1965: SE : GRIM : GRIM : GRIM : GRIM : GRIM : EIGEN-1/CHAMP 2004: EIGEN-2/GRACE 2006: EIGEN-4/GRACE 2010: EIGEN-GOCE 12

13 Les compléments surfaciques Surface moyenne océanique Source : CLS Gravimétrie terrestre Source : BGI Par altimétrie spatiale - modèle de circulation océanique Gravimètres absolu, de terrain, marin => géoïde! => grilles d anomalies de gravité 13

14 Reflet de la distribution des masses Référence des altitudes dynamiques => circulation océanique Suivi du déplacement des masses Origine des perturbations d orbite 14

15 Hiver Printemps Eté Automne Des variations décadaires du géoïde par GRACE Hiver Printemps Eté Automne aux hauteurs d eau équivalentes 15

16 Variations massiques dans les bassins hydrologiques 1.2 Mkm Mkm 2 Drift ICE4G: mm/yr => -49 Gt/yr Drift ICE5G: mm/yr => -46 Gt/yr Drift ICE4G: mm/yr => -170 Gt/yr Drift ICE5G: mm/yr => -150Gt/yr CNES/GRGS 10-day gravity field models and their evaluation, CNES/GRGS team Drift from 2007: +6 mm/yr 6.2 Mkm 2 Drift <2007: mm/yr Drift >2007: mm/yr 1.1 Mkm 2 16

17 Variations massiques sur les calottes polaires Dérive décennale enregistrée par GRACE Interannual variations of the mass balance of the Antarctica and Greenland ice sheets from GRACE, G Ramillien (OMP/GRGS) et al.,

18 Décomposition des variations du niveau moyen des mers par altimétrie et gravimétrie GRACE (corrigé du rebond post-glaciaire) Température 1.3 ±.2 mm/yr mass variations 1.8 mm/yr steric variations Estimation of steric sea level variations from combined GRACE and Jason-1 data, A. Lombard & al. (LEGOS/GRGS),

19 Détection par GRACE de l événement sismique de Sumatra du 26 décembre 2004 différence de niveau de la croûte produite par le séisme Co-seismis and post-seismic signatures of the Sumatra December 2004 and March 2005 earthquakes in GRACE satellite gravity, I. Panet (LAREG/GRGS) & al. 19

20 «40 ans du GRGS, » Modélisation régionale «40 ans du GRGS, », 17 février 2011, Observatoire de Paris 20

21 Calcul de géoïde haute résolu1on Combinaison d un modèle global avec les anomalies gravimétriques locales Intégra1on des anomalies résiduelles (après soustrac1on du modèle global et des effets du terrain), puis ajout des contribu1ons du modèle global et du terrain. 21

22 Modélisa1on mul1 échelles en ondeledes Les ondeledes : des combinaisons de mul1 pôles (harmoniques, 3D) à différentes échelles (localisa1on spectrale) et posi1ons (localisa1on spa1ale). Calcul du modèle par inversion des mesures (calcul itéra1f en sous domaines). 22

23 Modèles combinés locaux en ondeledes Local zoom in Panet (IGN/GRGS) et al. Densification d un modèle global avec les données locales haute résolution : obtention de modèles combinés hybrides harmoniques sphériques/ondelettes Repondération des différents jeux de données dans différentes bandes spectrales et différentes zones. 23

24 Modélisa1on locale du champ variable Seoane, Ramillien et al. (OMP/GRGS) Modélisa1on avec des mascons (concentra1ons de masses) des différences de poten1el GRACE le long de l orbite (approche conserva1on de l énergie). Obten1on des hauteurs d eau équivalentes sur le bassin Amazonien entre janvier et juin

25 «40 ans du GRGS, » Modélisation de la thermosphère «40 ans du GRGS, », 17 février 2011, Observatoire de Paris 25

26 Base de données «thermosphère» Modèle DTM78 DTM94 DTM2000 DTM2012 OGO6 (O,He,N 2 ) AE E AE E T AE E MESA Densités moyennes StarleDe & Stella Densités moyennes TLE GRACE AE C O DE2 T GOCE Densités moyennes CACTUS DE2 (O,He,N 2 ) CHAMP 26

27 Variabilité atmosphérique observée par accélérométrie Variabilité atmosphérique modélisée ( km d altitude) 27

28 «40 ans du GRGS, » «40 ans du GRGS, », 17 février 2011, Observatoire de Paris 28