Systèmes de référence et rotation de la Terre

« 40 ans du GRGS, 1971 – 2011 », 17 février 2011, Observatoire de Paris
Toute recherche dans le domaine de la géodésie spatiale repose sur
l'accès aux meilleures réalisations des systèmes de référence terrestre et
céleste, ainsi qu'à la meilleure modélisation possible de l'orientation de la Terre dans
l'espace (c'est à dire de la rotation du repère terrestre par rapport au repère céleste).
Ce thème a connu une évolution spectaculaire en 40 ans du fait du remplacement progressif des techniques
d’observation optique par des techniques fondées sur les observations Doppler de satellites artificiels (1971),
la télémétrie laser sur la Lune et sur satellites artificiels (1975), l’interférométrie à très longue base sur
radiosources extragalactiques (1980) ainsi que les systèmes radioélectriques GPS et DORIS (1990). Cette
évolution a permis d’améliorer de 3 ordres de grandeur l’exactitude des repères terrestres (de 10 m à 1 cm) et
célestes (de 50 mas à 50 µas), ainsi que la précision de la détermination des paramètres d’orientation de la
Terre (de 10 mas en 1971 à 30 µas en 2010, ce qui correspond à environ 1 mm sur la surface terrestre).
Le GRGS a pris part à de nombreux aspects de cette évolution, au niveau du développement des techniques,
de l’analyse de leurs données et leur combinaison, de la modélisation des phénomènes à considérer et de
l’organisation internationale. Ainsi, les équipes du GRGS ont participé activement depuis 1971 à l’initiative et
la préparation des résolutions successives de l’UGGI et de l’UAI concernant les systèmes de référence
terrestre et céleste et la représentation de la rotation de la Terre, ainsi qu’à la réalisation de ces références.
Ces résolutions ont mené à l’adoption du cadre théorique de la relativité générale en 1991, du système
international de référence terrestre (ITRS) en 1991 et de sa réalisation (ITRF), du système international de
référence céleste (ICRS) et de sa réalisation (ICRF) en 1997, ainsi que d’une nouvelle définition du Temps
universel et d’un modèle de précession-nutation de haute précision en 2000 et 2006. Ceci a été accompagné
d’une modernisation des concepts et de la nomenclature associée.
Le système de référence terrestre
Le GRGS est à l’origine des nouveaux concepts de repère
terrestre en 1984 (quatre versions expérimentales BTS84 à
BTS87 dans le cadre de la campagne MERIT), ainsi que pour
la rotation de la Terre. Il contribua fortement à la création de
l’IERS, qui remplaça le BIH en 1988, et au sein duquel il a
assuré les versions successives de l’ITRF (de ITRF88 à
ITRF2008). La réalisation de l’ITRS désormais associée à la
détermination de paramètres de rotation de la Terre permet
d’assurer une très bonne cohérence avec l’ICRS.
La rotation de la Terre
Les équipes du GRGS ont contribué aux développements des
théories, déterminations, modélisations et analyses de la
rotation de la Terre, en particulier pour la combinaison des
données et l’interprétation astrométrique et géophysique.
Grâce à un effort international important auquel le GRGS a
largement participé depuis 40 ans, la théorie de la précession-
nutation, ainsi que la modélisation des effets des couches
fluides de la Terre, ont été grandement améliorées. Et l’accès
aux bases de données internationales de moments cinétiques
atmosphériques, océaniques et hydrologiques a permis de
mieux comprendre les mécanismes physiques associés.
Amélioration de la précision de l’ITRF
Le système de référence céleste
L’ICRS, fondé sur les directions de quasars mesurées
par interférométrie radio à très longue base, est dissocié
de l’orientation de l’équateur et de l’écliptique. La
nouvelle version, ICRF2, du repère international de
référence céleste adoptée en 2009 représente une
amélioration significative de l’ICRS par rapport à la
précédente version datant de 1997, notée ICRF, qui
représentait déjà une amélioration considérable par
rapport au catalogue d’étoiles FK5, référence officielle
de l’UAI jusqu’en 1997.
ICRF,
1997
ICRF2,
2009
Ecarts au pôle céleste par rapport aux modèles de nutation
UAI 1980 et UAI 2000
Evolution du réseau de
l’ITRF88 à l’ITRF2008
Les graphiques ci-dessus donnant les écarts (de 1985 à
2011) entre la position du pôle céleste observée par
VLBI et le modèle UAI de précession-nutation, montrent
l’amélioration de ce modèle entre les versions UAI 1980
(à gauche) et UAI 2000 (à droite), ainsi que
l’amélioration de la précision des observations VLBI en
25 ans (courbe de droite). Le graphique de gauche
utilise les paramètres classiques de précession-nutation
(y, e), qui se rapportent à l’équinoxe et l’écliptique de la
date, tandis que le graphique de droite utilise les
nouveaux concepts UAI 2000 de coordonnées (X, Y) du
pôle céleste intermédiaire dans le système de référence
céleste géocentrique, GCRS, déduit de l’ICRS.
Systèmes de référence et rotation de la Terre
réalisé par Z. Altamimi, C. Boucher, N. Capitaine, S. Lambert