Le système dynamique terrestre

Le système dynamique terrestre

Les transports de masses et d’énergie sont deux processus clés qui déterminent la dynamique du système Terre [75]. Les premiers, auxquels nous nous intéresserons ici, se déroulent au sein des fluides géophysiques terrestres—que sont l’atmosphère, l’hydrosphère, la cryosphère, la biosphère, mais aussi la croûte (0–100 km, 2% du volume de la Terre), le manteau supérieur (100–700 km) et inférieur (700– 2900 km) représentant à eux deux 81% du volume de la Terre, et le noyau (2900– 6370 km, 17% du volume de la Terre)—sur des échelles de temps et d’espace variées (Figure 1.1). La fine couche profonde D » du manteau (2600–2900 km) est  peu connue et singulière du fait de ses propriétés différentes de tout le reste du manteau inférieur. L’étude de l’ensemble des composantes de ces transports de masses est sans aucun doute la science de la Terre la plus interdisciplinaire qui soit.

Pourtant, de nombreuses applications environnementales, liées au suivi attentif des soubresauts dans l’évolution du comportement de la Terre, nécessitent de viser une compréhension globale de ces phénomènes. C’est notamment le cas de l’analyse de l’augmentation du niveau moyen des mers, ainsi que des déformations de la surface terrestre ; dans un monde où tout est en mouvement, il faut définir un repère de référence spatiale avec une grande exactitude, précision et stabilité long terme, pour pouvoir interpréter les observations. Par exemple, le référentiel des mesures altimétriques de la hauteur des océans peut aussi bien être donné par la détermination précise de l’orbite (Precision Orbit Determination, POD) des satellites « mesureurs », que par un référencement par rapport à la croûte terrestre de relevés marégraphiques au sol. Les repères utilisés, à la fois pour déterminer les orbites et pour estimer des positions au sol, doivent donc être déterminés en bonne cohérence, de manière à pouvoir utiliser des sources de données très différentes sans risquer de perdre de l’information.

Les trois constituants que sont la forme géométrique de la Terre, son champ de pesanteur et son orientation dans l’espace, qui sont les trois secteurs fondamentaux de la géodésie, doivent donc être déterminés très précisément afin de pouvoir répondre au besoin crucial qu’est le référencement des données sol et spatiales. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse.

Principales techniques de la géodésie spatiale

Quelle que soit la technique de géodésie spatiale considérée, toutes font intervenir un émetteur ainsi qu’un récepteur. L’émission consiste en une onde électromagnétique pouvant traverser l’atmosphère. Comme cette dernière s’avère « transparente » uniquement dans deux gammes de longueur d’onde, le domaine visible et radio (micro-ondes, en l’occurence), les signaux exploités par ces techniques ont un spectre de fréquences prédéfinies :

— Visible : Satellite Laser Ranging (SLR) et Lunar Laser Ranging (LLR), essentiellement à 532 nm (couleur verte) ou 1064 nm (infrarouge).
— Micro-ondes : Détermination d’Orbite et Radiopositionnement Intégré sur Satellite (DORIS) à 401.25 MHz et 2.03625 GHz, Very Long Baseline Interferometry (VLBI) aux fréquences des bandes S à X (2.2– 8.4 GHz), et Global Positioning System (GPS)  à 1575.42 MHz (L1), 1227.60 MHz (L2) et 1176.45 MHz (L5). Pour éliminer les effets liés à l’ionosphère, on utilise en général deux bandes fréquentielles dont les observations combinées permettent de déterminer le retard ionosphérique.

Ces différentes techniques se distinguent également par la nature du signal qu’elles exploitent pour mesurer la position d’un objet :
— Le décalage en fréquence : la fréquence des signaux DORIS est modifiée par effet Doppler en raison du mouvement relatif du satellite par rapport aux balises émettrices terrestres, ce qui donne accès à la vitesse radiale du satellite. Ce système nécessite de disposer d’étalons de fréquence stables, comme les Oscillateurs Ultra-Stables (OUS).
— Le temps de parcours ou temps lumière : c’est le cas des mesures SLR, LLR et GPS, qui nécessitent donc de disposer d’horloges stables (pour dater précisément l’émission et la réception), afin de pouvoir remonter à la distance qui sépare l’émetteur du récepteur. C’est en fait aussi le cas de DORIS, puisque l’on effectue des mesures de phases (identiques aux phases GPS) ou des différences dans le temps de mesures de phases.
— La différence de temps entre les réceptions d’un même signal en deux lieux éloignés : c’est ce qu’utilise la technologie VLBI, qui nécessite également de disposer d’horloges stables. Cette différence de temps est reliée à l’orientation de la Terre dans l’espace, ainsi qu’à la position relative des deux antennes réceptrices. C’est donc une source d’information sur la rotation de la Terre et les déformations de la croûte terrestre.

Enfin, on peut également différencier ces systèmes de mesure par le sens de parcours du signal entre l’émetteur et le récepteur :
— Descendant : l’émetteur est dans l’espace et le récepteur sur Terre. C’est le cas pour GPS et VLBI. Un nombre illimité d’utilisateurs sur Terre est alors rendu possible, à condition bien sûr de disposer d’un récepteur, par nature passif et donc indétectable.
— Montant : l’émetteur est sur Terre et le récepteur dans l’espace. C’est le cas pour DORIS. Contrairement au cas précédent, le nombre d’utilisateurs terrestres est donc limité (faute de pouvoir s’offrir une balise DORIS, sans compter qu’à cause des interférences on ne peut pas mettre une balise où l’on veut), tout en étant facilement localisables (en tant qu’émetteurs). Ce système de mesure a pris le parti opposé au GPS, pensé pour les applications militaires (essentiellement civiles pour DORIS) et le positionnement de personnes au sol (de satellites dans l’espace pour DORIS).
— Aller-retour : c’est le cas des techniques SLR et LLR, puisqu’une station au sol émet une brève impulsion laser sur une cible réfléchissante, et en observe l’écho lumineux reçu par la suite.

SLR
Mise en place à la fin des années 1960, la technique des tirs laser sur satellites fut la première méthode de détermination orbitale à atteindre une précision décimétrique à la fin des années 1970. La Lune, en tant que satellite naturel de la Terre, fut le premier satellite à être suivi par ce système de mesure en 1969, suite au premier dépôt d’un réflecteur laser à sa surface par la mission américaine Apollo 11. Du fait de l’éloignement de la Lune (située à 3850000 km de la Terre), le nombre de photons détectés en retour est extrêmement faible : 1 à 2 seulement tous les 100 tirs, comprenant chacun ∼10¹⁹ photons. Le nombre de photons recueillis est beaucoup plus grand avec les satellites géodésiques, lancés dès les années 1970 dans le voisinage de la Terre ; à la fois sphériques et passifs, ils sont encore observés aujourd’hui (pour certains d’entre eux leur durée de vie opérationnelle est de plusieurs milliers d’années).

En tant que système de mesure optique, la modélisation des retards induits par la traversée de l’ionosphère et la troposphère est grandement simplifiée vis à vis des techniques micro-ondes, tout comme la modélisation des défauts de synchronisation liés aux horloges (communes sur le trajet aller et retour). Il reste malgré tout encore aujourd’hui le problème de la calibration du laser (biais en distance et de datation des stations).

VLBI
Il s’agit de la seule technique de géodésie qui ne fait pas intervenir de satellite. Elle repose sur l’analyse de signaux émis par des quasars qui sont des objets célestes extragalactiques émettant une grande quantité d’énergie sous la forme d’ondes radios (de longueur d’onde centimétrique). Ces signaux aléatoires sont reçus par au moins deux radiotélescopes (on n’a pas besoin de connaître la nature exacte du signal, mais simplement que le signal reçu est le même) à la surface de la Terre, séparés de plusieurs milliers de kilomètres .

Dès le début des années 1980, la technique VLBI atteint des précisions compatibles avec celles de la géodésie spatiale, notamment pour déterminer la distance qui sépare les antennes VLBI, grâce à son approche interférométrique. C’est ainsi qu’elle se distinguera par la suite (avec sa nature non-satellitaire) comme étant l’unique système pouvant déterminer l’orientation inertielle (par rapport aux étoiles) de la Terre, et donc suivre précisément l’évolution du temps universel (UT1), qui n’est autre que l’échelle de temps déduite de la rotation de la Terre.

Cependant, cette technique de mesure non-satellitaire ne sera pas utilisée par la suite, car ne faisant pas intervenir la loi de la gravitation universelle, elle ne permet pas de déterminer le GM, la position du centre de masse de la Terre, ou tout autre terme du champ de gravité terrestre.

GPS
Le système GPS, placé sous la responsabilité militaire du Département de la défense américain, a été développé à la fin des années 1970 avec le dessein de mettre en place un système de positionnement passif basé sur des satellites embarquant des horloges atomiques, permettant à tout utilisateur ayant quatre satellites en vue de se positionner sur Terre « n’importe où, n’importe quand ». Une trentaine de satellites compose la constellation GPS, répartis sur six plans orbitaux (inclinés de 55◦ par rapport à l’équateur) et situés à une altitude voisine de 20200 km, pour pouvoir assurer une couverture totale la Terre.

Table des matières

Chapitre I: Introduction
1.1 Le système dynamique terrestre
1.2 Objectifs de la thèse
1.3 Principales techniques de la géodésie spatiale
1.4 Modélisation des mesures
1.5 Modélisation de l’orbite des satellites
1.6 Direction visée
Chapitre II: Constante gravitationnelle géocentrique
2.1 Introduction
2.2 Limitations des estimations antérieures
2.3 Méthode mise en pratique
2.4 Résultat et discussions
Chapitre III: Mouvement du géocentre
3.1 Introduction
3.2 Différentes causes, différentes échelles de temps
3.3 Le référentiel terrestre et la nécessité d’un modèle de géocentre
3.4 Nouvelles approches proposées pour la détermination du géocentre
Chapitre IV: Réduction des erreurs systématiques dans la détermination du mouvement de géocentre par le système DORIS (article publié)
Chapitre V: Orbites GPS des satellites LEOs référencées au centre de masse de la Terre (article publié)
Chapitre VI: Etude des effets viscoélastiques à partir des coefficients (2,1) du géopotentiel et du mouvement du pôle
6.1 Introduction
6.2 Equations d’Euler-Liouville ou couplage entre moment d’inertie et rotation terrestre
6.3 Rôle de la viscoélasticité sur la rotation de la Terre
6.4 Informations rhéologiques sur la couche profonde D
Chapitre VII: Détermination cohérente des trois premiers degrés du géopotentiel (article soumis)
Chapitre VIII: Conclusion et perspectives
Appendix A: Chapitre co-écrit du livre « Satellite Altimetry over Oceans and Land Surfaces »
Appendix B: Bibliographie
Bibliographie

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