Le champ de gravité de la Terre réalisé par R. Biancale, J.-M. Lemoine, I. Panet Modélisation globale Observations Résultats géodésiques Les harmoniques sphériques Les techniques d’observation Champs statiques Optique : Le développement classique utilisé consiste à modéliser la sphère terrestre par une sommation de fonctions harmoniques (2 fois dérivables et de Laplacien nul) qui représentent un spectre en longueurs d’onde de déformations sphériques régulières en fonction de deux indices (degré L et ordre M). La résolution spatiale est considérée conventionnellement comme la demi-longueur d’onde. 1962 – 1971 (σ ~ 2″) TRANET : Laser : 1967 - DORIS : mètre (σ ~ 1 cm - 5 mm) 1992 … 2000 - GRACE KBR : (σ ~ 10 µm – 0,2 µm/s) 2002 - Gravimétrie : … (σ ~ 5 mgal - 1 µgal) Gradiométrie : (σ ~ 3 mE/Hz) 2009 - Les satellites géodésiques 1967 D1C/D1D (CNES) 400 km 200 km 1975/1993 STARLETTE/SELLA (CNES) 140 km résolution degré harmonique sphérique degré 5 LAGEOS-1/2 (NASA) Anomalies de gravité Topographie dynamique moyenne Le modèle EIGEN-6 est étendu à très haute résolution (14 km) par combinaison aux courtes longueurs d’onde avec des données de surface (altimétriques et gravimétriques). Champs variables Depuis 2002, la mission GRACE permet d’accéder aux variations temporelles du géoïde. La série EIGEN-GRGS-RL02 de modèles décadaires développés au degré harmonique sphérique 50 (soit à la résolution de 400 km) permet de suivre les variations hydrologiques au centimètre près sur des zones de 200 000 km2 et a mis en évidence la déglaciation du Groenland et de l’Antarctique ainsi que la déformation sismique engendrée par le tremblement de Terre de Sumatra, fin 2004. Nombre de coefficients: Lmax(Lmax+2) ~ Lmax2 Lmax = 10 → 120 inconnues / GRIM1(1975) Lmax = 50 → 2 600 inconnues / GRIM4 (1991) Lmax = 120 → 14 640 inconnues / CHAMP (2003) Lmax = 160 → 25 920 inconnues / GRACE (2007) 58 080 inconnues / GOCE (2010) Lmax = 240 → Lmax = 1440 → 2 076 480 inconnues / EIGEN-6 (2011) 2000 ordre 0 1975 1976/1992 Les mesures GPS depuis la constellation haute ont ensuite permis d’avoir un suivi continu de l’orbite (CHAMP), suivi utilisé ensuite pour les missions dédiées de gravimétrie spatiale, telles GRACE par mesures inter-satellites coorbitant et GOCE par gradiométrie embarquée (combinaison d’accéléromètres). degré 4 2000 km Hauteurs du géoïde Les mesures de suivi (optique, laser, radio-électriques) entre les stations terrestres d’observation et les satellites ont longtemps servi à mesurer les perturbations orbitales, manifestations des hétérogénéités de la gravité terrestre. degré 3 degré 6 (σ ~ 1 cm - 0,1 mm/s) 1994 - 2001 GPS : Evolution de la précision des modèles de géoïde selon le spectre des harmoniques sphériques degré 2 (σ ~ 20 – 1 cm) (σ ~ 0,3 mm/s) 1990 - PRARE : Les satellites constituent des senseurs du champ de gravité, d’autant plus sensibles qu’ils sont proches de la Terre. Le suivi de leur orbite informe, par méthode inverse, sur l’amplitude des coefficients (de Stokes) des fonctions harmoniques. Le nombre (et donc la résolution du champ = 20 000 km/Lmax) de ces coefficients déterminables par géodésie spatiale dépend de l’altitude, de la précision et de la couverture du système de suivi. (σ ~ 15 m – 5 mm) 1975 - Altimétrie : Des senseurs sans frontière Plusieurs ordres de grandeurs séparent le premier modèle GRIM1 (1975) du modèle EIGEN-6 (2011) produit en coopération avec le GFZ-Potsdam. La précision atteinte dorénavant est de 2 mGal (10-5 m/s2) en anomalie de gravité et de 5 cm en hauteur de géoïde à la résolution de 100 km. Elle permet de déterminer à cette échelle la topographie dynamique moyenne des océans (différence entre la surface altimétrique moyenne et le géoïde) et de quantifier ainsi, à quelques cm/s près, la circulation océanique générale. 1977 - 1987 (σ ~ 2 mm/s) ordre 1 1976 ordre 2 ordre 3 1983 ordre 4 ordre 5 CHAMP (DLR/GFZ) ordre 6 1991 1994 2002 GRACE (NASA/DLR) 1999 2001 2009 GOCE (ESA) 2004 Variations hydrologiques dans le bassin de l’Amazone sur 2 millions de km2 2006 cm/an Déglaciation (en cm d’eau/an) du Groenland et de l’Alaska 2008 Déformation sismique des fonds océaniques (2004) 2010 Modélisation locale Modélisation en ondelettes Modélisation locale des données GRACE Le géoïde haute résolution Pour améliorer la modélisation à l’échelle régionale de mesures gravimétriques hétérogènes en termes de contenu spectral et de distribution spatiale, des représentations en ondelettes sphériques sont également développées. Les approches régionales sont également appliquées pour optimiser localement l’extraction du signal lié aux transferts de masses dans les mesures GRACE. Elles permettent de combiner des données de tous types (surface, aéroportées, satellitaires) au sein d’une modélisation multi-échelles 3D cohérente. Les ondelettes utilisées sont des potentiels élémentaires, localisées spatialement et spectralement, définies en 3 dimensions, et dont le Laplacien est nul. En fonction de leurs caractéristiques, les observations sont modélisées par des ondelettes à différentes échelles. Les différences de potentiel le long de l’orbite sont modélisées par la méthode de l’intégrale de l’énergie (par équivalence entre énergies gravitationnelle et cinétique) en terme de concentrations de masses localisées par 2 degrés carrés dans une couche surfacique mince, ou mascons, sur les zones continentales. Cette méthode est utilisée pour cartographier les variations saisonnières du contenu en eau des sols. Combinés aux mesures terrestres ou marines de gravimétrie, les modèles globaux contribuent dorénavant à la détermination du géoïde à très haute résolution (quelques kilomètres), qui fournit la surface de référence des altitudes, pour la France notamment (modèle QGF98), et permet le nivellement par GPS. Le quasi-géoïde français QGF98 a été calculé par la méthode classique d’intégration des anomalies gravimétriques issues des mesures de surface par une méthode de retrait/restauration du modèle global. Modèles globaux Données locales Ondelettes à différentes échelles Modèle local multi-échelles « 40 ans du GRGS, 1971 – 2011 », 17 février 2011, Observatoire de Paris mm Variations en hauteur équivalente d’eau entre Mai et Septembre 2009 0