Gravity Recovery and Climate Experiment

Les deux satellites GRACE (vue d'artiste)

Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) est une mission spatiale conjointe de la NASA et de l'agence spatiale allemande lancée en mars 2002 et destinée à effectuer des mesures détaillées de la gravité terrestre. La mesure de la gravité permet de connaitre la répartition des masses au sein de la planète, ses variations dans le temps. GRACE repose sur deux satellites travaillant en tandem. Ce type d'information joue un rôle important dans l'étude des océans, de la géologie et du climat de la Terre. GRACE est un développement du centre de recherche spatial de l'université de Texas à Austin, du Jet Propulsion Laboratory à Pasadena en Californie, de l'agence spatiale allemande et du centre de recherche allemand pour les sciences de la Terre à Potsdam^[1]. Le JPL est responsable de la mission dans son ensemble dans le cadre du programme ESSP de la NASA. Cette mission spatiale fait partie du programme Earth Observing System qui regroupe un ensemble de satellites de la NASA chargés de collecter des données sur de longues périodes sur la surface de la Terre, la biosphère, l'atmosphère terrestre et les océans de la Terre. Les satellites GRACE ont été placés en orbite par une fusée Rockot depuis la base de lancement de Plessetsk en Russie le 17 mars 2002.

Résultats

Différences de pression au fond des océans mesurées par GRACE

Les cartes générées mensuellement par GRACE sont 1000 fois plus précises que les cartes qui existaient auparavant ce qui permet d'améliorer la précision de nombreuses techniques utilisées par les océanographes, les hydrologues, les glaciologues, les géologues, les climatologues, et autres scientifiques observant les phénomènes naturels^[2]. La mesure du champ de gravité de la Terre par GRACE permet ainsi aux scientifiques de mieux comprendre des processus naturels importants comme, exemples parmi d'autres, la diminution de l'épaisseur des inlandsis polaires, la circulation de l'eau dans les océans (circulation thermohaline) ou les grands bassins hydrographiques (répartition entre aquifères et système fluviatile, temps de transfert et écoulements), et les écoulements, lents du manteau terrestre (solide), plus rapides dans le noyau externe (liquide), dans l'intérieur de la Terre.

Carte des anomalies du champ de gravité construite à partir des données fournies par GRACE

En océanologie, une des applications les plus importantes est la compréhension de la circulation océanique globale. Les vallées et les collines de la surface de l'océan, écarts de topographie entre la « surface réelle » de l'océan et le géoïde, sont produits d'une part par les courants marins, d'une autre part par les variations temporelles et géographiques de la pression atmosphérique et des champs de vents associés, et enfin par les variations locales du champ de gravité. GRACE permet de séparer ces diverses origines et de mieux mesurer les courants océaniques et leurs effets sur le climat. Les données de GRACE sont également importantes pour déterminer l'origine de l'élévation du niveau de la mer et dans quelle mesure celle-ci est due à la masse d'eau provenant de la fonte des glaciers ou à la dilatation thermique des eaux chaudes ou aux changements de salinité^[3]

Animation des anomalies du champ de gravité au niveau des continents, réalisée à l'aide des données de GRACE

Animation des anomalies du champ de gravité au niveau des océans, réalisée à l'aide des données de GRACE

En physique de la gravitation, les données obtenues avec GRACE ont permis de revoir l'analyse des résultats fournis par l'expérience LAGEOS destinée à mesurer l'effet Lense-Thirring.

En géologie, en 2006, une équipe de chercheurs dirigée par Ralph von Frese et Laramie Potts ont découvert grâce aux données de GRACE, le cratère Wilkes Land de 480 km de diamètre situé sous les glaces de l'Antarctique, qui s'est sans doute formé il y a environ 250 Ma ^[4].

En hydrogéologie et en géodynamique, GRACE a été utilisé pour cartographier le cycle hydrologique du bassin amazonien, et la position ainsi que l'importance des rebonds post-glaciaires.

En sismo-tectonique, GRACE a permis également d'analyser les glissements tectoniques au sein de la croûte terrestre à la suite du séisme de 2004 dans l'océan Indien^[5].

En océanologie encore, les scientifiques ont développé récemment une nouvelle manière de calculer la pression au fond des océans, une donnée aussi importante pour les océanographes que la pression atmosphérique pour les météorologues, en utilisant les données de GRACE^[6].

Mode de fonctionnement

GRACE est la première mission dans l'histoire du vol spatial à ne pas utiliser les ondes électromagnétiques transmises depuis la surface de la Terre et/ou de l'atmosphère pour effectuer ses mesures. GRACE utilise à la place un système de mesure de distance reposant sur des émissions micro-ondes qui mesure les variations de vitesse et de distance entre deux satellites identiques volant sur la même orbite polaire à une distance de 220 km l'un de l'autre et à 500 km au-dessus du sol terrestre. Le système de mesure est si sensible qu'il peut détecter des changements de distance de 10 microns soit un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain sur une distance totale de 220 microns^[7].

Lorsque les deux satellites GRACE effectuent leurs 16 révolutions quotidiennes autour de la Terre, leur trajectoire est perturbée par les variations du champ gravitationnel terrestre. Lorsque le premier satellite passe au-dessus d'une région ou la gravité est un petit peu plus importante, le satellite est attiré par l'anomalie du champ de gravité et la distance avec le satellite qui le suit est modifiée. Après avoir franchi l'anomalie, le premier satellite reprend sa vitesse normale tandis que les paramètres de la trajectoire du deuxième satellite sont à leur tour affectés.

En mesurant de manière continue les modifications de distance entre les deux satellites et en combinant ces informations avec la position des satellites fournie par des récepteurs GPS, les scientifiques peuvent reconstituer une carte détaillée du champ de gravité terrestre.

Les deux satellites (surnommés Tom et Jerry) maintiennent en permanence une liaison montante et descendante entre eux. La mesure de distance est effectuée en comparant le décalage de fréquence au niveau de cette liaison. Pour compléter ces données, les vaisseaux mesurent leur propres mouvements en utilisant des accéléromètres. Toutes ces informations sont envoyées aux stations au sol. Pour fournir des points de référence et maintenir l'orientation des vaisseaux, ceux-ci utilisent des capteurs d'étoile des magnétomètres et des récepteurs GPS. Les satellites GRACE ont étalement des réflecteurs laser qui permettent de mesurer la distance depuis la station au sol par laser.

Les constructeurs des satellites GRACE

Les satellites sont construits par Astrium Allemagne et utilisent sa plateforme "Flexbus" Les systèmes à fréquence micro-ondes et les algorithmes de contrôle et de détermination de l'orientation sont fournis par Space Systems/Loral. La caméra utilisée pour le capteur d'étoiles est fourni par l'université technique du Danemark. L'ordinateur et le récepteur GPS de haute précision sont fournis par le JPL à Pasadena. L'accéléromètre de haute précision utilisé pour isoler les effets de l'atmosphère et du vent solaire des variations gravitationnelles est fourni par le ONERA.

Notes et références

1. ↑ Grace Space Twins Set to Team Up to Track Earth's Water and Gravity, NASA/JPL
2. ↑ New Gravity Mission on Track to Map Earth's Shifty Mass, NASA/JPL
3. ↑ What's Up with Sea Level, NASA/JPL
4. ↑ Big Bang in Antarctica--Killer Crater Found Under Ice, Ohio State University
5. ↑ Before the ’04 Tsunami, an Earthquake So Violent It Even Shook Gravity, The New York Times
6. ↑ Gravity data sheds new light on ocean, climate, NASA/JPL
7. ↑ GRACE Launch Press Kit, NASA/JPL

Sources

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Gravity Recovery and Climate Experiment » (voir la liste des auteurs)

Voir aussi

Liens externes

• (en) Page officielle sur le site de l'université du Texas
• (de) Page officielle sur le site de l'institut de Potsdam

Liens internes

• GOCE satellite remplissant une mission identique lancé en 2009