Evolution du niveau des océans. Mer d`Aral

Le niveau baisse dit-on,
celui de la Mer d’Aral aussi !
mais pas celui des océans…
Elévation annuelle du niveau moyen
des océans = 2,8 +/- 0,4 mm/an
Alexandre BLIN
Mathieu BRUYEN
Jérémy VINCENT
Lycée Roosevelt - Reims
Olympiades de Physique - 2005

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I ) Introduction
La Terre est ronde et la surface de la mer sur cette Terre ronde, que peut-on en dire ?
Les satellites altimétriques permettent de répondre à cette question : ni sphérique, ni
plane, mais des bosses et des fosses... Simple, n’est-ce pas ?
II ) Les mesures altimétriques
Un satellite altimétrique émet des ondes radar en direction du sol. Ces ondes se
réfléchissent sur les surfaces rencontrées et le satellite capte ces ondes venues du sol.
A ) L’onde radar (RAdio Detecting And Ranging)
C’est une onde électromagnétique (signal sinusoïdal) dont le fréquence est comprise
entre 3.108 Hz et 1011 Hz. Comme toutes les ondes électromagnétiques, elle se propage en
ligne droite, à la vitesse de la lumière, 300000 km/s dans le vide, à une vitesse inférieure
Surface sphérique
ou plane ?
Topographie dynamique de la surface des océans observée par le sat
ellite Topex
-
Poséïdon :
Comparaison du niveau des océans à une valeur moyenne établie à partir des mesures
effectuées depuis plus de 10 ans (échelle en cm).

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dans certains milieux matériels et pas du tout dans d’autres. En altimétrie, la fréquence
utilisée est de 13,5 GHz.
B ) Principe des mesures altimétriques
Manipulation : Réflexion d’une onde ultrasonore
Emetteur
Récepteur
t
t
Signal incident issu de l’émetteur à l’instant t =0
Signal rétro-diffusé reçu avec un retard
∆
t
Retard
En réalité, le rayon
incident et le rayon
réfléchi sont pratiquement
parallèles car l’émetteur
et le récepteur sont très
proches l’un de l’autre
donc on peut considérer
que la distance parcourue
durant l’intervalle ∆
t est
égale à 2d.
d
Signal émis
Signal rétro
-
diffusé détecté
Retard

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De l’expérience au principe de la mesure altimétrique
Mais la mer est rarement plate, donc le signal dépend de la forme de la surface de la
mer.
Signal émis et signal reçu
Formation
d’un écho
sur une mer
agitée.
Signal reçu
Bruit de fond
Premier contact
avec la surface :
sommet des vagues
Signal
dû au creux
des vagues
∆
t
∆
t = intervalle de temps retenu pour
évaluer le temps écoulé ent
re le début de
l’émission du signal et le retour de l’écho.
Formation d’un écho sur une mer « plate ».
Signal émis

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Détermination de la distance altimétrique
La distance altimétrique, Haltimétrique, est donnée par la relation suivante : la vitesse de la
lumière multipliée par la durée écoulée entre l’émission du signal et la réception de
l’ « écho » renvoyé divisée par 2.
Halt = c*∆t/2
C ) Des éléments de référence
Une donnée indispensable : la position du satellite sur son orbite
Connaître la position du satellite sur son orbite avec
exactitude est la tâche de la Division Orbitographie
des agences spatiales.
Pour ce faire, le satellite est équipé d’un récepteur
GPS, d’un récepteur DORIS et d’un réflecteur
laser.
Un satellite GPS envoie à intervalles réguliers des
messages indiquant sa position et l’heure à laquelle
le message est envoyé : à partir des données issues
de plusieurs satellites, le récepteur à bord calcule la
position du satellite.
Les balises du réseau DORIS, parfaitement
localisées, émettent des signaux de fréquence
définies que captent le récepteur de bord : à partir
de la mesure de la fréquence des signaux reçus, le
calculateur de bord, utilisant la théorie de l’effet
Doppler, en déduit la position du satellite.
Quand le satellite passe au dessus d’un émetteur laser, un faisceau laser est envoyé vers
le satellite. Ce faisceau est renvoyé vers le sol par le réflecteur laser et la station au sol
calcule la distance émetteur laser / satellite à partir des résultats obtenus.
Il faut cependant qu’existe un élément de référence : ce sera l’« ellipsoïde de référence ».
L’ellipsoïde de référence, c’est la surface d’un ellipsoïde de révolution dont la forme suit
au mieux la surface des océans, ainsi la surface moyenne de la mer ne s’écarte jamais
plus d’environ – 60 m et + 100 m par rapport à l’ellipsoïde de référence choisi pour les
mesures altimétriques océanographiques (pour d’autres applications, d’autres
ellipsoïdes peuvent être choisis).
Cette référence sera utilisée dans des opérations de calibration du système altimétrique,
et ce, afin de comparer par rapport à une même référence mathématique (il n'y a pas
d'erreurs de modélisation dans l'ellipsoïde, ce qui n'est pas le cas des autres surfaces de
référence) des données issues de systèmes indépendants.
Les techniques utilisées pour la détermination de l’orbite du satellite sont indépendantes
des techniques utilisées pour les mesures altimétriques.
Une deuxième donnée indispensable : une référence pour le niveau de la mer
Il faut aussi un élément de référence pour le niveau de la mer : c’est le géoïde qui
correspond à la surface libre que prendrait l’océan en l’absence de mouvements des
eaux. C’est une surface équipotentielle du champ de gravité terrestre.