Colloque « Espace et éducation »

Utilisation des données spatiales, compréhension de phénomènes terrestres

Pascale Ultre-Guerard, responsable de programme au Cnes, Paris

Je travaille dans le domaine de la géophysique interne. Mon intervention, axée sur l'utilisation des données spatiales pour comprendre et surveiller la planète Terre, sera introduite par des propos d'ordre général sur notre planète. C'est une planète vivante, dynamique, comme en témoignent certains processus, et qui représente le berceau de la vie. Ensuite, j'expliquerai en quoi les informations d'origine spatiale permettent de mieux comprendre la Terre, ce que j'illustrerai par des exemples volontairement atypiques.

Enjeux de l'observation spatiale de la Terre. Un ensemble d'interactions

La figure suivante illustre la complexité de la planète Terre, celle-ci étant composée de plusieurs enveloppes : le noyau, le manteau, la croûte terrestre, les surfaces continentales et l'océan, l'atmosphère, l'ionosphère et la magnétosphère.

L'objectif du géophysicien est de connaître et de comprendre le fonctionnement de notre planète, de son noyau interne (la graine) vers son environnement externe, c'est-à-dire la magnétosphère. La Terre est un objet composé de tous les états de la matière : l'état solide (par exemple le noyau interne), l'état liquide (les océans) et les phases gazeuses de l'atmosphère ainsi que le plasma dans l'ionosphère et la magnétosphère.

Ces enveloppes interagissent entre elles. Par exemple, la figure suivante montre la subduction de la croûte océanique s'enfonçant dans le manteau terrestre. La transmission de gaz de l'intérieur vers l'extérieur de la Terre, par l'intermédiaire des volcans, est une autre illustration des interactions des différentes enveloppes.

 


Les différentes enveloppes de la Terre. © Cnes.


La subduction de la croûte océanique dans le manteau terrestre. © Cnes.

Mais la Terre interagit aussi avec son milieu extérieur. La Terre tourne autour d'elle-même et autour du Soleil. Son étude doit donc prendre en compte les variations diurnes et les variations saisonnières. La Terre interagit avec le Soleil, par l'intermédiaire du vent solaire, qui circule tout autour d'elle, dans une géométrie imposée par le champ magnétique terrestre. En outre, l'ensoleillement influence l'atmosphère et très probablement le climat terrestre.

Par ailleurs, nos études doivent prendre en considération les interactions entre l'homme et la Terre. De plus en plus, l'homme exerce une influence sur l'environnement. Il doit surveiller la Terre non seulement pour prévenir les catastrophes naturelles, mais également pour gérer durablement les ressources destinées aux générations futures.

De la recherche scientifique à la réponse aux questions de société

L'évolution du climat peut être illustrée par une courbe de variation de température. Le problème de l'effet de serre est notamment mesuré par l'évolution du gaz carbonique. D'autres types de problèmes, comme la gestion à long terme des ressources forestières et hydrauliques, ou encore les catastrophes naturelles (inondations, incendies de forêts…) réclament le travail des scientifiques.

Il convient de mener les études scientifiques sur la planète en tenant compte de la grande diversité des échelles spatiales. L'échelle peut être globale, pour ce qui concerne la météorologie et la circulation des vents au-dessus des mers, régionale, si on s'intéresse à une chaîne de montagnes comme l'Himalaya, ou encore locale si on étudie un volcan ou une faille et, enfin, millimétrique, car certains phénomènes, tels que la tectonique des plaques, ont des mouvements caractéristiques de l'ordre du millimètre ou du centimètre par an.

Les échelles temporelles sont également très diverses. Les champs d'étude varient en effet du million d'années, comme les études sur l'évolution du climat ou encore les études géologiques, à quelques heures, voire quelques secondes, dans le cadre de phénomènes extrêmes, comme les tempêtes ou les séismes.

Avec la Terre, les scientifiques disposent d'un objet d'étude très singulier, offrant une diversité considérable. Cela nécessite l'utilisation d'une variété suffisante de capteurs, afin d'appréhender l'ensemble des phénomènes.

Ces études nécessitent également des résolutions spatiales et temporelles suffisantes, des observations continues, des coopérations internationales et une transition entre la recherche et les applications qui soit optimale afin de mieux prendre en compte les problèmes de société. Mais quel peut être, dans ce contexte, le rôle du «spatial» ?

Le rôle du «spatial»

Avantages et difficultés de l'observation spatiale

En préalable, je souhaite attirer votre attention sur le fait que le « spatial » pris isolément, ne constitue pas une réponse en soi. Au contraire, il faut le considérer comme une des parties intégrantes d'un système d'observation. Ce système peut comprendre des données prises au sol, des données maritimes, prises par ballon ou par avion.

Quel est l'intérêt de se placer dans l'espace pour étudier la Terre ? L'observation spatiale présente des avantages incontestables : elle permet des mesures denses, globales et homogènes sur la Terre. Elle permet également de se positionner sur différents types d'orbites. Dans certains cas, l'observation spatiale éloigne les instruments de certaines sources de perturbation et permet d'obtenir des informations difficilement accessibles à partir du sol (mesures polaires par exemple).

Certes, l'espace n'est pas un milieu facile, mais l'ensemble des difficultés qu'il recèle constitue aussi une source réelle de progrès et d'innovation. Pour ce qui concerne l'observation de la Terre, il existe des perturbations liées à la traversée de l'atmosphère, comme les effets de la troposphère sur les ondes radar. Ainsi, les scientifiques qui utilisent des données spatiales sont nécessairement conduits à consulter leurs collègues spécialistes de l'atmosphère, afin de corriger leurs données des effets perturbateurs, ce qui est un bel exemple d'interdisciplinarité.

Les données spatiales étant souvent complémentaires de celles recueillies sur le terrain, il est donc nécessaire d'intégrer une variété importante de données dans les modèles par des techniques toujours plus élaborées. Bien évidemment, l'espace rend difficile l'accès aux instruments de mesure et les réparations des instruments situés dans l'espace restent extrêmement rares ! Dans la mesure où il s'agit d'un milieu très hostile, notamment du fait de niveaux de radiation élevés, les ingénieurs travaillant sur les systèmes spatiaux doivent souvent relever un véritable défi technologique et concevoir des systèmes très fiables et très robustes. Enfin, ils doivent généralement développer des instruments de mesure d'une très grande sensibilité en raison de l'éloignement du capteur par rapport à la source.

L'observation spatiale génère une quantité de données de plus en plus importante. De ce fait, il est nécessaire de disposer de capacités de stockage correctement dimensionnées. Enfin le «spatial» nécessite l'utilisation d'infrastructures coûteuses, ce qui implique le recours à la miniaturisation («plus léger donc moins cher») et aussi à la coopération entre les États et leurs agences spatiales, comme par exemple au sein de l'Agence spatiale européenne.

Exemples

Apport du «spatial» à l'étude du champ magnétique terrestre

J'ai d'abord choisi d'évoquer le champ magnétique terrestre. Quel est l'apport du «spatial» dans la connaissance du champ magnétique de la Terre ?

Ce sont les navigateurs qui ont effectué les premières mesures du champ magnétique. Des observatoires ont ensuite été créés au XIXe siècle. Enfin, le premier satellite dédié à la mesure complète du champ magnétique terrestre a été Magsat, lancé en 1979 par la Nasa. Actuellement, trois satellites permettent d'effectuer ce type de mesures. Il s'agit des satellites Oersted, Champ et Sac-C.

On dénombre aujourd'hui environ cent cinquante observatoires géomagnétiques sur la surface du globe. Cependant, leur répartition est très hétérogène, puisqu'il existe un déficit d'observatoires dans les océans et dans l'hémisphère sud. A contrario, les observatoires géomagnétiques sont très nombreux en Europe et en Amérique du Nord. L'observation du champ magnétique par satellite permet d'obtenir des mesures denses et homogènes sur l'ensemble de la surface du globe en quelques jours. Cela étant dit, les données sont exploitées au bout de quelques mois, dans la mesure où la modélisation du champ magnétique terrestre implique le recueil et le tri des meilleures données.

Il convient de ne pas négliger les données obtenues à partir du sol. Même si les observatoires géomagnétiques sont inégalement répartis sur la surface de la Terre, ils apportent des informations importantes. Si on observe une représentation des différentes sources du champ magnétique terrestre, on s'aperçoit que le champ magnétique a des sources internes et externes :

 

  • les sources internes sont principalement le noyau externe et la croûte terrestre ;
  • les sources externes sont comprises dans l'ionosphère et au sein de la magnétosphère.

De manière idéale, il convient d'isoler les différentes contributions du champ, grâce aux différents systèmes de mesure. La combinaison des données au sol et dans l'espace permet d'isoler les sources internes, externes et ionosphériques.


Carte du champ crustal. © Cnes.

Le champ crustal est très faible par rapport au champ total, puisqu'il ne représente pas plus de 0,05 % du champ magnétique total. Cette carte du champ crustal a pu être obtenue à partir du satellite Champ avec une résolution horizontale de 500 kilomètres, ce qui est totalement impossible à réaliser avec des données sol uniquement.

Apport du « spatial » à la connaissance de la forme de la Terre

La mesure de la forme de la Terre, dont la surface est un ensemble de continents et d'océans, est une mesure nécessairement globale. En effet, pour ce qui concerne la variation des mers, leur niveau peut avoir tendance à baisser, comme dans la baie d'Hudson et en mer Baltique, mais aussi à remonter, comme en Bretagne. Une fois encore, les variations constatées sont relativement faibles, de l'ordre de quelques centimètres, voire de quelques millimètres par an.

La mesure de la forme de la Terre (géoïde) nécessite un système de référence global, tout ceci relevant du domaine de la géodésie. En termes mathématiques, le géoïde est la surface équipotentielle du champ de pesanteur, c'est-à-dire qui prend en compte la gravitation et la rotation de la Terre, et qui se confond avec le niveau moyen des océans au repos. La forme du géoïde dépend de la distribution des masses dans la Terre, et le géoïde est en tout point perpendiculaire avec la direction du fil à plomb.

Avant que l'observation spatiale ne soit possible, on recourait aux méthodes traditionnelles du géomètre, c'est-à-dire le nivellement, la triangulation, la visée d'étoiles et les marégraphes. Mais l'arrivée des méthodes spatiales a provoqué une véritable rupture dans le domaine de la géodésie, grâce aux systèmes GPS (radiopositionnement), Doris, grâce à la télémétrie laser sur satellite, à l'altimétrie par satellite et aussi à la mesure du champ de gravité par satellite. Celle-ci consiste en l'étude des perturbations de la trajectoire du satellite, par rapport à une trajectoire idéale, si la Terre était homogène. Les techniques utilisées sont, dans ce cadre, le positionnement du satellite par GPS, le positionnement par tirs laser et un accéléromètre, placé au centre du satellite, permettant de séparer les forces de gravité des autres forces (de surface) subies par le satellite.

Grâce aux satellites, il est possible de dresser une carte du géoïde terrestre où l'on peut observer un « trou » assez important sous l'Inde, qui est lié à un déficit de masse au niveau de la chaîne himalayenne.


Géoïde dérivé des mesures du satellite Champ. © Cnes.

Conclusion

Il existe donc une grande diversité de techniques spatiales permettant notamment de mesurer le champ magnétique et le champ de gravité de la Terre. Mais nous disposons également de différents capteurs actifs et passifs, dans des longueurs d'onde diverses, de l'imagerie visible (Spot) à l'imagerie radar (Envisat), pour obtenir une vision la plus complète possible de la planète. Dans certains cas, les satellites ont complètement modifié notre vision de la Terre, mais il ne faut pas négliger pour autant les autres systèmes de mesure, qui restent fondamentaux dans le système d'observation globale.

Par ailleurs, les exigences liées à l'étude des phénomènes sur le long terme font naître le besoin d'observatoires spatiaux. Le développement de nouvelles générations d'instruments permettra de relever des défis nouveaux tels que, par exemple :

  • le suivi de la pollution de l'air et des océans ;
  • la connaissance des eaux continentales (niveau des lacs, débit des fleuves, humidité des sols) ;
  • le suivi du domaine côtier, sur lequel réside une partie non négligeable de la population, d'où des enjeux socioéconomiques importants ;
  • la prévention des risques naturels et la gestion des risques.

Échanges avec la salle

De la salle : Depuis quand est-il possible d'affirmer que le noyau de la Terre est à l'état solide ?

Pascale Ultre-Guerard : C'est la sismologie qui a permis une telle affirmation au début des années quarante.

Christophe Vigny : Les premiers exemples de sismologie montrent que les ondes sismologiques sont soit « cisaillantes », soit compressives. Les ondes compressives traversent les liquides, contrairement aux ondes « cisaillantes ». L'intérieur de la Terre est donc nécessairement à l'état solide, puisqu'il existe une zone d'ombre pour les ondes «cisaillantes».

Pascale Ultre-Guerard : À ce sujet, je note que parmi les défis à relever, les scientifiques projettent des études sismologiques depuis l'espace. Cette idée est actuellement émergente, mais il conviendra d'étudier les conditions dans lesquelles un tel projet est réalisable.

De la salle : Vous avez évoqué des capteurs «actifs» et «passifs». Qu'entendez-vous par ces deux notions ?

Pascale Ultre-Guerard : Dans certains cas, une analyse peut être effectuée de manière «passive». Dans d'autres cas, il est nécessaire d'envoyer un signal radar et d'observer le retour du signal, qui varie en fonction des objets qu'il a rencontrés, cette technique est dite «active» dans la mesure où le satellite émet un signal.

De la salle : Mais qu'entendez-vous concrètement par le terme de «capteur» ?

Pascale Ultre-Guerard : Le capteur est un terme relativement général, qui désigne un instrument de mesure.

De la salle : Je ne comprends pas très bien ce que peut être un capteur. Pour moi, un capteur doit être sensible à une grandeur physique et je n'ai pas le sentiment que ce soit réellement le cas dans le cadre de votre exposé.

Pascale Ultre-Guerard : C'est le cas, d'une certaine manière, parce que le capteur mesure une grandeur physique.

De la salle : Vous avez présenté une carte du champ magnétique, puis vous avez affirmé que l'analyse et le tri des données nécessitaient plusieurs mois. Je m'interroge sur les critères permettant de juger qu'une donnée est meilleure qu'une autre.

Pascale Ultre-Guerard : En fait, le tri des données dépend de l'objet observé. En l'occurrence, j'ai projeté des cartes relatives aux sources internes du champ magnétique terrestre. Pour observer ces sources internes, il convient de s'affranchir des perturbations externes. Par exemple, les analyses ne peuvent pas être effectuées si un orage magnétique se produit. Or l'activité magnétique de la Terre varie quotidiennement, il faut donc choisir les jours où cette activité est minimum, ce qui permet de s'affranchir en partie des perturbations externes. Concrètement, il est possible d'obtenir une couverture correcte de données au bout d'un mois.

De la salle : Dans ce cas précis, les capteurs de champ magnétique au sol servent-ils à recueillir des données ?

Pascale Ultre-Guerard : Absolument. Les spécialistes, en charge de la modélisation des champs magnétiques, utilisent des indices d'activité magnétique, qui sont calculés à partir des données recueillies dans les observatoires. En effet, l'observatoire est immobile et permet d'effectuer des mesures de manière continue. Les indices d'activité magnétique fournissent une évaluation de l'activité magnétique externe. Dans l'hypothèse d'une activité magnétique trop élevée, il est impossible de se référer à une donnée spatiale, puisque les perturbations au sol s'accompagnent en général de perturbations au niveau du satellite. Les données au sol et spatiales sont donc complémentaires.

De la salle : Les données sont-elles calibrées par une mesure au sol ? Si la réponse est positive, je me pose un certain nombre de questions sur le volume du travail à réaliser.

Pascale Ultre-Guerard : Dans les modèles, vous utilisez un fichier de données spatiales et un fichier de données sol. La combinaison des deux par traitement mathématique permet de déterminer les différentes sources du champ magnétique.

De la salle : Il me semble intéressant de noter, en ce qui concerne la complémentarité des données spatiales et des données terrestres, que les prévisions météorologiques obtenues sur l'île de la Réunion sont toujours fausses. En effet, l'océan Indien est peu traversé, que ce soit par les bateaux ou par les avions, ce qui empêche de recueillir des données fiables.

Pascale Ultre-Guerard : Je ne suis pas une spécialiste des données météorologiques terrestres de l'île de la Réunion, mais je présume que votre affirmation ne doit souffrir d'aucune contestation. Dans le domaine de la météorologie, les images satellite jouent un rôle essentiel en termes de prévision et de modélisation. Toutefois, la météo reste un exemple excellent de combinaison des données terrestres, maritimes et spatiales, certains types de données pouvant parfois limiter la qualité des modèles.

Patrick Vincent : Il faut observer les phénomènes en fonction des échelles spatiales, puisque sur des sites comme la Réunion, il existe des phénomènes locaux marqués, comme les montagnes. Les services météorologiques doivent donc construire des modèles locaux, afin de restituer les informations exactes.

De la salle : Quelles doivent être les précisions obtenues pour pouvoir séparer les différentes sources du champ magnétique terrestre ?

Pascale Ultre-Guerard : La précision obtenue est liée à la qualité des données utilisées, au traitement mathématique qui leur est appliqué et à la façon dont les résultats sont lissés. Dans l'exemple du champ magnétique, il est possible de séparer un champ dont le poids relatif n'excède pas 0,05 % du champ total. On peut atteindre de tels résultats grâce à des mesures précises et à des traitements mathématiques fiables.

De la salle : À quoi le champ d'origine crustal est-il dû ?

Pascale Ultre-Guerard : Le champ crustal trouve son origine dans une aimantation de type rémanent piégée dans certaines roches (laves, certains sédiments…).

Claudio Cimelli : L'une des problématiques auxquelles nous sommes confrontés réside dans la réalisation de projets interdisciplinaires, comme les itinéraires de découverte (IDD). À cet effet, de nombreuses données sont disponibles. Mais sous quelles formes et quelles modalités le sont-elles ?

Pascale Ultre-Guerard : Les personnes travaillant à l'Institut de physique du globe de Paris ont vocation à communiquer les résultats de leurs études sur le champ magnétique terrestre. De même, le groupe de recherche de géodésie spatiale (GRGS) diffuse certaines informations et certains modèles pour ce qui concerne la géodésie.


Actes du séminaire national - Les sciences de la vie et de la Terre au XXIème siècle : enjeux et implications 15 et 16 décembre 2004

Mis à jour le 15 avril 2011
Partager cet article
fermer suivant précédent