Etude de la Terre et de l Environnement depuis l espace

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1 Etude de la Terre et de l Environnement depuis l espace Leçon n 1: Forme de la Terre, champ de gravité et géodésie Anny Cazenave

2 Il y a très longtemps Expéditions en Laponie et au Pérou une sphère 18 ème siècle le géoide un disque Antiquité un sphéroide de nos jours la forme de la Terre au fil des siècles

3 Isaac Newton et la forme de la Terre 1687

4 La forme et les dimensions de la Terre au XVIII ème siècle Cassini I : Gian Domenico (Jean-Dominique) Cassini ( ) Cassini II : Jacques Cassini ( ) Cassini III : César-François Cassini de Thury ( ) Cassini IV : Jean-Dominique, comte de Cassini ( )? La première mesure de la longueur du méridien de Paris fut l œuvre de plusieurs savants européens des XVII e et XVIII e siècles dont les astronomes Cassini I (premier directeur de l Observatoire) et son fils Jacques Cassini II, entre 1669 et Remesurée entre 1792 et 1798, par Delambre et Méchain, deux astronomes français, sa nouvelle mesure permit de déterminer la longueur exacte du mètre, le mètre étalon, comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre.

5 Mesure de la longueur de l arc de méridien Dunkerque-Perpignan (méridien de Paris) par triangulation

6 1735: Académie des sciences Expéditions en Laponie et au Pérou Clairaut Maupertuis Laponie Mesures de la longueur d un arc de méridien par triangulation Bouguer, de la Condamine, Pérou Méridienne de Quito

7 Aplatissement de la Terre

8 Les dimensions de la Terre Différence entre rayon équatorial et rayon polaire = m m m 8

9 Spoutnik 1, 4 octobre 1957

10 17 février 1966, champ de tir d Hammaguir: Diapason (D1A) 1 er satellite de géodésie français (2 ème lancé par la France)

11 L orbite du satellite Source : R. Rummel

12 Déformations de l orbite sous l effet des forces agissant sur le satellite Champ de gravité terrestre Attraction gravitationnelle du soleil, de la Lune et des planètes Marées terrestres et océaniques Frottement de l atmosphère Pression directe du rayonnement solaire et rétrodiffusée par la terre Redistributions des masses dans le système Terre

13 Le champ de gravité terrestre déforme les trajectoires des satellites

14 Déformations de l orbite sous l effet des forces agissant sur le satellite Champ de gravité terrestre Attraction gravitationnelle du soleil, de la Lune et des planètes Marées terrestres et océaniques Frottement de l atmosphère Pression directe du rayonnement solaire et rétrodiffusée par la terre Redistributions des masses dans le système Terre Orbitographie des satellites artificiels: Équations de la mécanique céleste + modèle approché des forces + mesures géodésiques de «poursuite» destinées à réajuster en permanence la trajectoire théorique du satellite vers la trajectoire réelle

15 Les différents types de mesures de «poursuite»

16 La télémétrie Laser sur satellite Le satellite «Starlette» lancé par le CNES en 1975

17 1975 (France): Starlette, 47 kg, diamètre 48 cm, 60 réflecteurs laser 1993 (France) : STELLA

18 Représentation mathématique du champ de gravité de la Terre Potentiel gravitationnel U (développement en harmoniques sphériques): U (r, φ, λ ) = GM/r [1+ (R/r) n [C nm cos (mλ) + S nm sin (mλ)] x P nm (sin φ )] U= G m/d Repère terrestre r satellite G: Constante de la gravitation; M, R: masse, rayon de la Terre; r: distance centre de masse de la Terre au satellite; φ, λ : latitude et longitude du satellite; P nm (sin φ) Fonction associée de Legendre

19 C nm, S nm : coefficients de Stokes dépendent de la répartition des masses dans la Terre; n: degré, m: ordre C nm = (1/ MR n ) v [(n-m)!/(n+m)!] [r n+2 ρ (r,φ,λ)cos φ P nm (sin φ) cos(m λ)] dr dφ dλ S nm = (1/ MR n ) v [(n-m)!/(n+m)!] [r n+2 ρ (r,φ,λ) cos φ P nm (sin φ) sin(m λ)] dr dφ dλ ρ (r,φ,λ): densité élémentaire de coordonnées sphériques r,φ,λ à l intérieur du volume V de la Terre

20 C n0 coefficients zonaux (m=0) C n0 = (1/ MR n ) v r n P n (sin φ) ρ dv C nm coefficients tesseraux

21 Coefficient C 20 du champ de gravité aplatissement dynamique de la Terre relié aux moments principaux d inertie de la Terre C 20 = (1/MR 2 ) [C-(A+B)/2] C: moment principal d inertie polaire A,B: moments principaux d inertie équatoriaux Aplatissement géométrique : 1/ Aplatissement hydrostatique dû à la rotation terrestre

22 Etablir un modèle de champ de gravité de la Terre, c est calculer les coefficients de Stokes: C nm et S nm calculés à partir des déformations des trajectoires d un grand nombre de satellites artificiels, pour des degrés n aussi grands que possible n: degré lié à la longueur d onde λ des anomalies de masse (n=2πr/ λ) plus n est grand, plus la résolution est fine

23 Géoide: surface équipotentielle du champ de gravité coincide avec le niveau moyen des mers au repos visualise les variations géographique de la gravité Hauteur du géoide (par rapport à un ellipsoide de référence) N=U/g N: hauteur du géoide; U: potentiel de gravitation; g: gravité moyenne de la Terre

24 Chaque couple de coefficients Cnm, Snm - pour n et m donnéspeut être représentée par une composante du géoide C 20 aplatissement de la Terre C 22, S 22 ellipticité de l équateur C 30 forme en poire de la Terre

25 Composantes du géoide par degré et ordre Source : R. Biancale

26 Facteur d exagération par rapport aux dimensions réelle s de la Terre :

27 Le géoide à grandes longueurs d onde

28 Premier modèle de champ de gravité «Standard Earth» 1965 Résolution : ~1500 km Gaposkin & Lambeck, 1965

29 Depuis 1965 Succession de modèles du champ de gravité terrestre de plus en plus précis et de résolution de plus en plus fine par étude des orbites de satellites géodésiques 2 grands pôles dans le monde : USA modèles «EGM» et France/Allemagne modèles «GRIM» et «EIGEN»

30 Le géoide: surface équipotentielle du champ de gravité coincide avec le niveau moyen des mers au repos visualise les variations géographique de la gravité Des générations successives de modèles de gravité 1965: SE : GRIM : GRIM : GRIM-3 Le géoide 1991: GRIM : GRIM : EIGEN : EIGEN : EIGEN : EIGEN-GOCE Source: R. Biancale 30

31 Courbes d évolution au cours du temps de la précision sur la hauteur du géoide (en m) pour des modèles GRIM et EIGEN (par différence au modèle EIGEN-GL04S) 25 en 25 ans (λ>=1600 km) 250 en 5 ans Source: R. Biancale 31

32 Nouveau concept: «mission de gradiométrie spatiale GOCE» lancée en 2009

33 Le satellite GOCE 3 paires d accéléromètres

34 Principe de la gradiométrie

35 Le géoide (forme de la Terre) mesuré par le satellite GOCE (résolution 100 km; précision 2 cm)

36 Traduit la distribution des masses dans la Terre Référence pour la topographie dynamique de l océan => circulation océanique La plus grande source de perturbations des orbites 36

37 La structure interne de la Terre

38 Les creux et les bosses du géoide. Anomalies du géoide (m). Une image de l intérieur de la Terre Anomalies de vitesses sismiques dans le manteau inférieur (%) IPGP Becker & Boschi, 2002 Et aussi B. Romanowicz

39 Anomalies à grandes longueurs d onde du manteau terrestre et tomographie sismique Anomalies du géoide Forte corrélation géographique Anomalies de vitesses sismiques dans le manteau inférieur

40

41 Topographie dynamique

42 La structure interne de la Terre

43 Géoide observé Géoide calculé Hager et al., 1985

44 Géoide observé Géoide calculé Ricard et al., 2006

45 L altimétrie spatiale

46 Principe de l altimétrie par satellite

47 Couverture des océans en 10 jours

48 Les creux et les bosses de la surface de la mer.. Variable dans le temps dynamique de l océan, marées Permanente géoide champ de gravité Direction de la pesanteur Déformation de la surface marine Nouvelle direction de la pesanteur Croûte océanique Volcan sous marin

49 Les missions d altimétrie spatiale Seasat 1978 Geosat 1985 ERS-1/2 1991; 1995 Topex/ Poseidon 1992 Jason Envisat 2002 Jason : début de l altimétrie de haute précision: Saral AltiKa 25 février 2013

50 Le géoide marin dans le Pacifique central d après SEASAT (1978) Iles Marquises Archipel de la Société Monts sous marins de Louisville

51 Surface moyenne de la mer cartographiée par altimétrie (mission géodésique ERS-1; ) Atlantique nord Océan Indien

52 Topographie des fonds marins et tectonique des plaques

53 Les creux et les bosses permanents de la surface de la mer (= géoide marin) Source : CLS

54 Applications à la géophysique marine Structure mécanique et thermique de la lithosphère Etude des points chauds Convection à petite échelle Tectonique: - zones de fracture zones - détection et distribution de monts sous marins - chaînes volcaniques - dorsales océaniques - Bathymétrie

55 Les creux et les bosses de la surface de la mer.. Variable dans le temps dynamique de l océan, marées Permanente géoide champ de gravité Direction de la pesanteur Déformation de la surface marine Nouvelle direction de la pesanteur Croûte océanique Volcan sous marin

56 Isostasie Modèle d Airy Profondeur de compensation Modèle de Pratt ρ= densité Profondeur de compensation

57 Volcans sous-marins compensation isostatique «régionale»

58

59 Evolution mécanique et thermique de la lithosphère océanique

60 Les creux et les bosses de la surface de la mer.. Variable dans le temps dynamique de l océan, marées Permanente géoide champ de gravité Direction de la pesanteur Déformation de la surface marine Nouvelle direction de la pesanteur Croûte océanique Volcan sous marin

61 Couverture de la Terre par altimétrie spatiale

62 1997, première carte globale de la topographie des fonds marins par altimétrie Smith & Sandwell, 1997

63 Mesure de la topographie des fonds marins par sondage acoustique

64 Topographie des fonds marins cartographiée par altimétrie spatiale Source : ESA Et aussi : LEGOS: Calmant et al., 2002

65 Topograhie sous marine par altimétrie spatiale (Pacifique sud ouest) Source:LEGOS

66 Topograhie sous marine par altimétrie spatiale (Pacifique sud ouest) Source: LEGOS

67 Découverte de nombreux monts sous marins Profondeur (m)

68 Détection et cartographie des monts sous marins monts sous marins > 100 m 8000 monts sous marins > 1 km Source: P. Wessel, 2012

69 Variations temporelles du champ de gravité

70 Variations de l aplatissement de la Terre (coefficient C 20 du champ de gravité) par analyse des orbites des satellites Laser Avec cycle annuel Sans cycle annuel ΔJ 2 (x ) σj 2 (x ) Evolution de l erreur Update of Cheng and Tapley (2004) source : B. Meyssignac

71 Variation séculaire de l aplatissement de la Terre Il y a ans La Terre devient de moins en moins aplatie Aujourd hui

72 Variations de l aplatissement de la Terre (coefficient C 20 du champ de gravité) par analyse des orbites des satellites Laser Aplatissement (sans cycle saisonnier) Rebond Post Glaciaire ΔJ 2 (x ) σj 2 (x ) erreur Update of Cheng and Tapley (2004) Source: B. Meyssignac

73 Source: B. Meyssignac Variabilité interannuelle de l aplatissement ( ) Monthly SLR J 2 J 2 from ocean-land mass estimations ΔJ 2 (x )

74 Variabilité interannuelle de l ellipticité de l équateur Ellipticité de l équateur Plan équatorial Δamplitude (2,2) (x ) Monthly SLR (2,2) amplitude (2,2) amplitude from ocean-land mass estimations Source : B. Meyssignac

75 Variations temporelles de la gravité à haute résolution Mission de gravimétrie spatiale GRACE (2002) Prochains cours..

76 Et dans un instant Conférence de Mioara Mandea sur le champ magnétique de la Terre Merci de votre attention

77 Anomalies de gravité déduites de l altimétrie sur les océans

78 Couverture des mesures de gravité au sol

79 Polynômes et fonctions associées de Legendre P n (x) = 1/(2 n n!) [d n (x 2-1)/dx n ] P nm (x) =(1-x 2 ) m/2 [d m P n (x)/dx m ] Propriétés d orthogonalité P n (x)p m (x) dx =0 (n m) [P n (x) 2 ]dx =2/(2n+1) P 0 (x)=0, P 1 (x)=x, P 2 (x)=(3x 2-1)/2,.

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