21 Septembre 2015

La Terre mise à nu

Évoluant jusqu'à plusieurs milliers de kilomètres du sol, les satellites ont une vue imprenable sur notre planète. Grâce à leurs instruments sophistiqués, ils nous dévoilent la Terre sous toutes les coutures.

Un globe pas si rond

Contrairement à ce que laisserait croire les images de la Terre vue de l’Espace, notre planète n’est pas une sphère parfaite. Elle est aplatie aux pôles et, grâce aux satellites, on sait désormais qu’elle est couverte de bosses et de creux.

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Un globe pas si rond © ESA

Quelles formes !

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L'un des premiers engins spatiaux du CNES est un satellite de géodésie, appelé Diapason (D1A). © CNES, 1966

Pour les êtres humains, la Terre a d’abord été plate. Elle a été imaginée comme un disque, puis représentée sous forme de cylindre par le savant grec Anaximandre au VIIe siècle avant notre ère. Un siècle plus tard, Parménide, lui aussi grec, découvre qu'elle est sphérique. Au IIIe siècle avant Jésus-Christ, Eratosthène, encore un grec, calcule son rayon.

Il faut patienter 20 siècles pour que des astronomes et astrophysiciens comme Picard, Hooke, Newton ou encore Huygens, déterminent que la Terre n’est pas parfaitement sphérique : en raison de sa rotation et donc de la force centrifuge générée, la planète est ellipsoïdale et aplatie à ses pôles. Nous voilà fixés ? Pas vraiment.

La science qui décrit la forme de la Terre, appelée la géodésie, n’a pas dit son dernier mot. Au XXe siècle, l’étude de la planète trouve un nouvel angle d'observation, depuis le ciel. L’aventure a commencé pour le CNES avec le satellite de géodésie Diapason (D1A) lancé en 1966.

La terre est une patate

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Le géoïde de la Terre, représentation qui sert de base aux mesures terrestres, ressemble à une patate. © ESA/HPF/DLR

La forme de la Terre est plus complexe qu’il n’y paraît. Bien sûr, vue depuis la Lune ou depuis l’ISS, la station spatiale internationale, la planète semble plutôt sphérique. Mais en réalité, sa surface est toute cabossée.

C'est en observant les variations de la gravité (qui varie avec la masse) en différents points du globe que les satellites ont pu le déterminer. Notamment le satellite européen GOCE, lancé en 2009.

A partir des données recueillies, les scientifiques ont créé des images où les creux et les bosses sont amplifiés et colorés (voir ci-contre). Ces reliefs font ressembler la Terre à une patate. Cette représentation ne reflète pas véritablement le relief de la Terre, c'est un modèle qui sert de base aux mesures terrestres. On l'appelle le géoïde.

De la surface à la profondeur des océans


Le principe de l'altimétrie en animation. © SapienSapienS/CNES

Même par temps calme, la surface des mers et des océans n’est pas plane. C’est grâce à l’altimétrie satellitaire que nous le savons. Cette technique radar permet de mesurer la hauteur des océans en un point donné (voir animation ci-contre). En étudiant ces variations de hauteur, les scientifiques parviennent à déduire le relief sous-marin. Une élévation d’un mètre au niveau de la mer équivaut à un relief de 1000 m d’altitude environ au fond de l’océan.

Initiée en 1973 par les américains et le satellite GEOS, l’altimétrie satellitaire s'est poursuivie avec le satellite franco-américain TOPEX/Poseidon. Sa mission a duré de 1992 à 2005. Elle a permis l’étude des reliefs marins avec une précision de 2,5 cm et leur évolution dans le temps. Par la suite, Jason-1 (2001-2012) puis Jason-2, lancé en 2008, ont notamment montré que le niveau des océans s’élevait d'environ 3 mm par an. Jason-3, prévu fin 2015, poursuivra les observations. Grâce à l'étude des variations du niveau des mers et des courants océaniques, il aidera notamment à comprendre le changement climatique.

un bouclier magnétique

Le champ magnétique est un véritable bouclier qui nous protège des dangers de l’espace. Sans lui, il n’y aurait pas de vie sur Terre. Des satellites l’étudient et révèlent ses possibles évolutions.


Anti-particules

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Le champ magnétique terrestre protège la terre des rayons cosmiques et du vent solaire. © ESA/ATG medialab

L’Espace et le Système solaire en particulier ne sont pas des lieux paisibles et inoffensifs. Ils sont parcourus par des particules de haute énergie : les rayons cosmiques et le vent solaire (voir encadré). Heureusement, la Terre est pourvue d’un bouclier qui dévie ces particules qui nous seraient néfastes. Ce bouclier est le champ magnétique terrestre et, plus particulièrement, sa partie située au-delà de 1000 km d’altitude et appelée magnétosphère. Celle-ci s’étire au gré du vent solaire sur des dizaines de milliers de kilomètres autour de la planète

Sous observations

Le champ magnétique terrestre n’est pas uniforme autour de la planète et il évolue avec le temps comme le révèlent les données satellites. Quelques satellites ont été lancés pour étudier et mesurer le champ magnétique terrestre. Avec MAGSAT, les USA ont placé en orbite, en 1979 , les premiers magnétomètres (des instruments qui peuvent mesurer l’intensité ou la direction du champ magnétique). Il a été suivi d'Ørsted, lancé par le Danemark en  1999. Mais la plus importante mission à ce jour est celle confiée à Swarm, une mission  de l’Agence spatiale européenne. Cette constellation de trois satellites, lancée en 2013, étudie avec une grande précision les variations spatiales (positionnement, direction) et temporelles du champ magnétique.

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Le champ magnétique terrestre, mesuré par les satellites SWARM. © SapienSapienS/Cnes

La Terre sens dessus dessous


Les pôles s’inverseraient-ils ? Les premiers résultats de la mission Swarm le laissent entendre

Les mesures réalisées par Swarm montrent que l’intensité du champ magnétique terrestre évolue. Ainsi, cette dernière baisse – on dit qu’il s’affaiblit –  au-dessus de l’Amérique et Atlantique du Sud et s’intensifie au-dessus de l’océan Indien. Swarm a aussi confirmé un autre phénomène : le Nord magnétique, celui qui oriente l’aiguille de nos boussoles (à ne pas confondre avec le Nord géographique qui est défini comme le point par où passe l’axe de rotation de la Terre), se déplace vers la Sibérie. Cet affaiblissement et ce déplacement du Nord magnétique indiqueraient que les pôles magnétiques Nord et Sud pourraient être en train de s'inverser. L'événement s’est déjà produit il y a fort longtemps dans l’histoire de notre Planète, et un tel changement pourrait sérieusement perturber les instruments de tous nos satellites.

Bombardement cosmique

La Terre est soumise à des bombardements massifs de particules de haute énergie qui s’avèrent dangereuses, sinon mortelles à haute dose, pour les êtres vivants. Certaines proviennent de l’espace intergalactique. Le Soleil aussi nous envoie des rayons cosmiques (le vent solaire), notamment lors des éruptions solaires. Heureusement, la majeure partie de ces particules est déviée par le champ magnétique terrestre.

Une enveloppe de protection

Parce qu’elle assure la vie sur Terre, l’atmosphère est l’objet de beaucoup d’attention. Sa composition, sa structure, sa dynamique et son évolution sont scrutées par de nombreux satellites.

Ça sent le gaz

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© ESA/NASA

L’atmosphère est une couche gazeuse enveloppant la Terre. Elle est maintenue autour du globe grâce à la gravité. Hormis la vapeur d’eau, les gaz qui la constituent sont le diazote (78%), le dioxygène (21%), l’argon (0,93%). Le reste (0,07%) ce sont de toutes petites quantités de dioxyde de carbone, néon, hélium, krypton, hydrogène, xénon, méthane… et ozone.

Ces gaz atmosphériques sont continuellement brassés entre eux. Ils se concentrent dans la troposphère (80 à 90% des gaz), la couche de l'atmosphère allant du sol jusqu’à 7 km d’altitude aux pôles et 16 km à l’équateur. Ca tombe bien, c’est l’air dont nous avons besoin pour respirer.

Contrôle qualité

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L'A-Train, c'est 6 satellites aux instruments complémentaires qui étudient l'atmosphère.© CNES

Ce qui se passe dans l’atmosphère n’a rien de simple. Pourtant, son rôle est essentiel dans la régulation du climat. Elle permet de maintenir une température viable sur Terre en stoppant une partie de la chaleur émise par le rayonnement solaire et en retenant une partie de celle renvoyée par le sol terrestre.  De nombreux satellites étudient donc les composants de l'atmosphère et leur évolution. Depuis 2006, Calipso, un satellite CNES/NASA analyse ainsi les nuages et les aérosols, les particules en suspension dans l’atmosphère. Cet engin appartient à l'A-Train, une constellation de 6 satellites américains, français et japonais, aux instruments complémentaires.

Sentinel-1A, en 2014, et Sentinel-2A, en juin 2015, scrutent aussi l'atmosphère. Ce sont les premiers des six familles de satellites en charge de la mission européenne Copernicus. Enfin, grâce à leur instrument IASI, depuis 2006, les satellites météo européens Metop surveillent aussi au quotidien la composition et la qualité de l'air (ozone, monoxyde de carbone, méthane, vapeur d’eau) et l'impact sur le climat.

Le trou de la couche d'Ozone

L’ozone de la couche stratosphérique nous protège des rayonnements ultraviolets (UV) du Soleil. Sans cette couche, la vie n’existerait sans doute pas sur la Terre. C’est le satellite d’observation de la Terre de la NASA, UARS, évoluant de 1991 à 2005 qui a permis de montrer que le chlore émis par les activités humaines détruisait l’ozone de la stratosphère et créait le fameux « trou » dans la couche d’ozone au-dessus des régions polaires. Cela a permis d'interdire la production humaine de produits destructeurs. Depuis, de nombreux satellites surveillent l’évolution des gaz responsables dans la stratosphère et l'état de la couche d'ozone (TOMS-Ep, SAGE III-Meteor 3M-1, Envisat, AURA, Calipso, IASI).

Pour savoir plus

Vidéo : Protective Ozone Layer

La couche d'Ozone reste sous l'étroite surveillance des satellites, notamment les européens Sentinel 4 et 5.

© ESA/DLR

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