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Géosciences : des satellites mesurent les volumes d’eau sur Terre

La mission de recherche GRACE FO a été lancée dans l’espace à bord de la fusée américaine SpaceX

La mission de recherche GRACE FO a été lancée dans l’espace à bord de la fusée américaine SpaceX, © (NASA/Bill Ingalls)

13.07.2018 - Article

Les résultats des mesures effectuées dans l’espace donnent des indications précises sur l’élévation du niveau marin et la modification des gisements d’eau souterraine dans le monde. Les chercheurs de la mission par satellite GRACE FO en tirent des déductions pour les dérèglements climatiques.

La fusée américaine SpaceX embarquant à son bord deux satellites d’observation terrestre a été lancée le 22 mai 2018. Au bout de trois minutes, elle fonçait déjà à une vitesse de 8500 km/h vers l’espace. Après un peu plus d’une dizaine de minutes, le premier étage de la fusée ayant atteint une altitude de 490 kilomètres, les satellites jumeaux ont été mis en orbite. Évoluant à cette altitude, le couple de satellites tourne maintenant autour de la Terre 16 fois par jour en transmettant des mesures au sol.

Le professeur Frank Flechtner, directeur scientifique de GRACE FO au centre Helmholtz de Potsdam – Centre allemand de recherche en géosciences (GFZ), considère le lancement réussi de la fusée depuis la base aérienne militaire de Vandenberg, en Californie (États Unis), comme le plus beau moment de sa carrière scientifique. C’est lui qui a eu l’honneur de donner le « go » au décollage.

Un projet unique

« Personnellement, je trouve l’observation de la Terre par satellite bien plus passionnante que la recherche dans la Station spatiale internationale ISS », dit M. Flechtner. « Il est fascinant de pouvoir déterminer avec une très grande précision la fonte des glaces dans l’Arctique et l’Antarctique ainsi que d’autres changements dans le système Terre, sans jamais avoir été sur place », estime t il.

« J’ai installé par le passé des stations d’observation en Inde afin de mesurer les variations du champ gravitationnel terrestre à grande échelle. Avec GRACE FO, nous n’avons plus besoin du tout de ces stations au sol et nos mesures sont beaucoup plus précises. » Lorsqu’on lui demande de qualifier en une seule phrase la mission par satellite, M. Flechtner répond en soulignant le caractère unique du projet : « GRACE FO est la seule mission spatiale à pouvoir observer en continu les déplacements de masses dans le système Terre. »

Les satellites renseignent sur la fonte des glaciers

L’objectif de GRACE FO est d’établir des cartes mensuelles du champ gravitationnel terrestre fournissant des informations sur les mouvements d’eau à la surface du globe. La mission permet d’en déduire des informations concernant le changement climatique telles que la fonte des glaces aux pôles, les modifications des courants marins et la montée ou la baisse du niveau des nappes phréatiques.

Cela inclut aussi bien les diminutions des masses d’eau observées en Californie et au Proche Orient que les augmentations des masses d’eau souterraine. Car une nappe phréatique bien remplie a pour conséquence que l’eau s’écoule moins après de fortes pluies, ce qui accentue les risques de crue. GRACE FO doit aider à déceler rapidement cette menace.

Mais les données sont également importantes pour le domaine maritime, où elles servent à étudier la montée du niveau des océans. Avec l’aide des données gravimétriques, on peut en effet déduire quelle proportion d’eau supplémentaire provient de la fonte des glaciers et quelle proportion provient de l’extension thermique des océans.

Améliorer les prévisions météorologiques

GRACE FO vise également à mesurer les paramètres réels de l’atmosphère à l’aide de ce que l’on appelle la radio occultation par GPS. Cette technique s’appuie sur le fait que les signaux radio que reçoit GRACE FO depuis les satellites GPS pendant qu'ils disparaissent dernière la planète varient en raison des différentes densités de l’atmosphère liées à la température et l’humidité.

Or ces variations se laissent reconstruire à partir des signaux GPS enregistrés à bord des satellites. Les mesures atmosphériques de GRACE FO sont livrées par le GFZ aux différents centres atmosphériques internationaux avec un décalage de deux heures environ, ce qui permet d’améliorer les prévisions météorologiques journalières.

Un couple de satellites qui mesure la gravité

Le principe de la mesure de la gravité terrestre est que les deux satellites évoluent sur la même orbite, à 220 kilomètres l’un de l’autre. Ce faisant, ils mesurent en permanence la distance qui les sépare grâce à des émissions micro ondes.

Lorsque le premier satellite s’approche d’une zone de gravité supérieure, il est légèrement attiré et accélère donc un peu. La distance entre les deux satellites s’accentue alors. Cet écart de distance révèle l’attraction terrestre et, par conséquent, le champ gravitationnel à cet endroit.

Des mesures d’une précision inouïe

M. Flechtner se souvient très bien d’avoir été sceptique au début concernant le haut degré de précision de GRACE : « Tout était pour moi tellement fantastique », explique t il, ajoutant : « J’arrivais d’un univers où l’on mesure les distances entre deux points en millimètres ou en centimètres. Et tout à coup, nous pouvons mesurer avec précision l’écart entre deux satellites dans l’espace, en continu et au micron près. »

Au cours des quinze dernières années, les géoscientifiques ont montré que cette énorme précision était possible. « Pendant la mission actuelle, nous irons encore plus loin que ces mesures micrométriques et prendrons des mesures dans le domaine nanométrique », assure M. Flechtner. Les chercheurs utilisent pour cela un interféromètre laser de télédétection inter satellite (LRI), développé en grande partie en Allemagne.

La Terre est une patate

Au cours des projets précédents, les scientifiques avaient déjà fait des découvertes passionnantes sur notre planète. C’est ainsi qu’est née, par exemple, la représentation de la Terre connue sous le nom de géoïde parce que, en raison des variations de la gravité, elle est couverte de bosses et de creux, ce qui la fait ressembler à une patate, d’où le nom de « Potsdamer Kartoffel » en allemand.

Par ailleurs, la mission initiale GRACE a montré que la fonte des glaces au Groenland entre 2002 et 2016 s’élevait à environ 270 milliards de tonnes par an. M. Flechtner précise que GRACE FO continue de surveiller l’évolution au Groenland de même que dans l’Antarctique et d’autres régions glaciaires et communiquera des données actuelles.

« Nous nous réjouissons que GRACE FO ait pu poursuivre les mesures très précieuses fournies par la première

mission GRACE entre 2002 et 2017 », déclare le professeur Reinhard Hüttl, directeur scientifique du GFZ chargé des contributions allemandes à la mission. « Cela permet non seulement de répertorier les changements actuels du système Terre mais aussi d’identifier les tendances sur le long terme qui n’apparaîtront pour certaines que dans plusieurs années, voire plusieurs décennies. »

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