Etude de la Terre et de l Environnement depuis l espace

Documents pareils
Prospective: Champ de gravité, méthodes spatiales

FORMATION DES PERSONNES-RESSOURCES EN SCIENCE ET TECHNOLOGIE LE CYCLE DU JOUR ET DE LA NUIT (CYCLE DIURNE)

CHAPITRE 6 : LE RENFORCEMENT DU MODELE PAR SON EFFICACITE PREDICTIVE

Seconde MESURER LA TERRE Page 1 MESURER LA TERRE

COMPTE-RENDU «MATHS EN JEANS» LYCEE OZENNE Groupe 1 : Comment faire une carte juste de la Terre?

Les moments de force. Ci-contre, un schéma du submersible MIR où l on voit les bras articulés pour la récolte d échantillons [ 1 ]

Savoir lire une carte, se situer et s orienter en randonnée

Chapitre 9 : Applications des lois de Newton et Kepler à l'étude du mouvement des planètes et des satellites

Cours IV Mise en orbite

Services internationaux en géodésie spatiale

POLY-PREPAS Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux. - Section Audioprothésiste / stage i-prépa intensif -

La Mesure du Temps. et Temps Solaire Moyen H m.

Géodynamique. Unité d introduction et de socle commun aux 5 UE optionnelles choisies au second semestre de l'année de Master 1

REPRESENTER LA TERRE Cartographie et navigation

La fonte des glaces fait-elle monter le niveau de la mer?

Synthèse SYNTHESE DIRECTION GENERALE DE L ENERGIE ET DU CLIMAT. Service du climat et de l efficacité énergétique

CHAPITRE 2 POSITIONNEMENT

Le Soleil. Structure, données astronomiques, insolation.

Chapitre 2 : Caractéristiques du mouvement d un solide

Mobilité du trait de côte et cartographie historique

GÉODÉSIE, COORDONNÉES ET GPS

Chapitre 15 - Champs et forces

Repérage d un point - Vitesse et

OM 1 Outils mathématiques : fonction de plusieurs variables

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

1. Introduction 2. Localiser un séisme 3. Déterminer la force d un séisme 4. Caractériser le mécanisme de rupture d un séisme

Chapitre 1 Cinématique du point matériel

Erratum de MÉCANIQUE, 6ème édition. Introduction Page xxi (milieu de page) G = 6, m 3 kg 1 s 2

GOOGLE EARTH Quelques méthodes d utilisation et pistes d activités

DURÉE DU JOUR EN FONCTION DE LA DATE ET DE LA LATITUDE

Caractéristiques des ondes

MESURE DE LA MASSE DE LA TERRE

La gravitation universelle

COTTAZ Céline DESVIGNES Emilie ANTHONIOZ-BLANC Clément VUILLERMET DIT DAVIGNON Nicolas. Quelle est la trajectoire de la Lune autour de la Terre?

SYSTEME DE PARTICULES. DYNAMIQUE DU SOLIDE (suite) Table des matières

AMTEC RESOURCES MANAGEMENT LTD. CREATION D UNE BANQUE DE DONNEES DONNEES GEOSPATIALES NATIONALE

TS Physique Satellite à la recherche de sa planète Exercice résolu

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

Séquence 4. Comment expliquer la localisation des séismes et des volcans à la surface du globe?

Intégrales doubles et triples - M

Explorons la Voie Lactée pour initier les élèves à une démarche scientifique

Université de Caen. Relativité générale. C. LONGUEMARE Applications version mars 2014

Les calottes polaires Isostasie Champ de température

Thème Le domaine continental et sa dynamique

Science et technologie : Le truc de Newton

CONSTRUCTION DES PROJECTIONS TYPES DE PROJECTION. Projection => distorsions. Orientations des projections

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

Parcours Astronomie. Cher Terrien, bienvenue à la Cité des sciences et de l industrie! Voici tes missions :

RESERVOIR MONITORING A PARTIR D IMAGES SATELLITES APPLICATIONS POUR LES ACTIVITÉS AMONT DE SONATRACH EN ALGÉRIE

Chapitre 2 Les ondes progressives périodiques

- Le LPC2E et les Bases de Données Spatiales - Valorisation des bases de données ondes

3 - Description et orbite d'un satellite d'observation

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Initiation à la Mécanique des Fluides. Mr. Zoubir HAMIDI

STATIQUE GRAPHIQUE ET STATIQUE ANALYTIQUE

Activité 1 : Rayonnements et absorption par l'atmosphère - Correction

Chafa Azzedine - Faculté de Physique U.S.T.H.B 1

Comprendre l Univers grâce aux messages de la lumière

Sur les vols en formation.

L inégale répartition de l énergie solaire est à l origine des courants atmosphériques

Étude et modélisation des étoiles

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Panorama de l astronomie. 7. Spectroscopie et applications astrophysiques

Document d Appui n 3.3. : Repérage ou positionnement par Global Positionning System G.P.S (extrait et adapté de CAMELEO 2001)

Documents sur la patrie tectonique de Madagascar Clé USB avec logiciel Audacity et base de données sismiques en ligne : Sismos à l Ecole

Jeunes en Apprentissage pour la réalisation de Nanosatellites au sein des Universités et des écoles de l enseignement Supérieur

I - Quelques propriétés des étoiles à neutrons

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

Travaux Pratiques. Sondage Radar de Vénus

Séquence 5. Modéliser la surface de la Terre : frontières et déplacement des plaques lithosphériques

LES LOIS PHYSIQUES APPLIQUÉES AUX DEUX-ROUES : 1. LA FORCE DE GUIDAGE

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Chapitre 2 Caractéristiques des ondes

MESURE ET PRECISION. Il est clair que si le voltmètre mesure bien la tension U aux bornes de R, l ampèremètre, lui, mesure. R mes. mes. .

Angles orientés et fonctions circulaires ( En première S )

livret-guide des séances année scolaire

Projets proposés par le Laboratoire de Physique de l'université de Bourgogne

Chapitre 7 - Relativité du mouvement

Cours de Mécanique du point matériel

TD 9 Problème à deux corps

Le satellite Gaia en mission d exploration

Présentation d un télescope, de ses composants et de quelques consignes d utilisation

Modélisation couplée des processus de surface et souterrains pour prédire la distribution spatiale de l'évapotranspiration.

Fonctions de deux variables. Mai 2011

La gestion à long terme des déchets de haute activité et/ou de longue durée de vie. Options

INTRODUCTION. 1 k 2. k=1

Collimateur universel de réglage laser

TD: Cadran solaire. 1 Position du problème

La fonction d onde et l équation de Schrödinger

Directives pour l évaluation des participations d astrophilatélie

Géoréférencement et RGF93

Fonctions de plusieurs variables

Rayonnements dans l univers

Celestia. 1. Introduction à Celestia (2/7) 1. Introduction à Celestia (1/7) Université du Temps Libre - 08 avril 2008

Mesures de l état du réseau Domaine Voie Tendances, perspectives et innovations

Un accueil de qualité :

DISQUE DUR. Figure 1 Disque dur ouvert

CLUB DE MARCHE Ballade et Randonnée

Chapitre 6 : les groupements d'étoiles et l'espace interstellaire

Transcription:

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

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

Isaac Newton et la forme de la Terre 1687

La forme et les dimensions de la Terre au XVIII ème siècle Cassini I : Gian Domenico (Jean-Dominique) Cassini (1625-1712) Cassini II : Jacques Cassini (1677-1756) Cassini III : César-François Cassini de Thury (1714-1784) Cassini IV : Jean-Dominique, comte de Cassini (1748-1845)? 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 1740. 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.

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

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

Aplatissement de la Terre

Les dimensions de la Terre Différence entre rayon équatorial et rayon polaire = 21 384 m 6356752m 6378136 m 8

Spoutnik 1, 4 octobre 1957

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

L orbite du satellite Source : R. Rummel

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

Le champ de gravité terrestre déforme les trajectoires des satellites

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

Les différents types de mesures de «poursuite»

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

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

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

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

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

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 : 1/298.25 Aplatissement hydrostatique dû à la rotation terrestre

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

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

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

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

Facteur d exagération par rapport aux dimensions réelle s de la Terre : 100 000

Le géoide à grandes longueurs d onde

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

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»

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-1 1975: GRIM-1 1976: GRIM-2 1983: GRIM-3 Le géoide 1991: GRIM-4 1999: GRIM-5 2001: EIGEN-1 2004: EIGEN-2 2006: EIGEN-4 2010: EIGEN-GOCE Source: R. Biancale 30

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

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

Le satellite GOCE 3 paires d accéléromètres

Principe de la gradiométrie

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

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

La structure interne de la Terre

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

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

Topographie dynamique

La structure interne de la Terre

Géoide observé Géoide calculé Hager et al., 1985

Géoide observé Géoide calculé Ricard et al., 2006

L altimétrie spatiale

Principe de l altimétrie par satellite

Couverture des océans en 10 jours

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

Les missions d altimétrie spatiale Seasat 1978 Geosat 1985 ERS-1/2 1991; 1995 Topex/ Poseidon 1992 Jason-1 2001 Envisat 2002 Jason-2 2008 1992: début de l altimétrie de haute précision: Saral AltiKa 25 février 2013

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

Surface moyenne de la mer cartographiée par altimétrie (mission géodésique ERS-1; 1994-1995) Atlantique nord Océan Indien

Topographie des fonds marins et tectonique des plaques

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

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

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

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

Volcans sous-marins compensation isostatique «régionale»

Evolution mécanique et thermique de la lithosphère océanique

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

Couverture de la Terre par altimétrie spatiale

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

Mesure de la topographie des fonds marins par sondage acoustique

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

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

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

Découverte de nombreux monts sous marins Profondeur (m)

Détection et cartographie des monts sous marins 25 000 monts sous marins > 100 m 8000 monts sous marins > 1 km Source: P. Wessel, 2012

Variations temporelles du champ de gravité

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 10-10 ) σj 2 (x 10-10 ) Evolution de l erreur Update of Cheng and Tapley (2004) source : B. Meyssignac

Variation séculaire de l aplatissement de la Terre Il y a 20 000 ans La Terre devient de moins en moins aplatie Aujourd hui

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 10-10 ) σj 2 (x 10-10 ) erreur Update of Cheng and Tapley (2004) Source: B. Meyssignac

Source: B. Meyssignac Variabilité interannuelle de l aplatissement (1993-2012) Monthly SLR J 2 J 2 from ocean-land mass estimations ΔJ 2 (x 10-10 )

Variabilité interannuelle de l ellipticité de l équateur Ellipticité de l équateur Plan équatorial Δamplitude (2,2) (x 10-10 ) Monthly SLR (2,2) amplitude (2,2) amplitude from ocean-land mass estimations Source : B. Meyssignac

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

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

Anomalies de gravité déduites de l altimétrie sur les océans

Couverture des mesures de gravité au sol

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,.