La matière en mouvement : La gravité changeante de la Terre
Par Laura Naranjo
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Selon la légende, Isaac Newton a découvert la gravité après avoir regardé une pomme tomber d’un arbre. En utilisant le mot « gravitas » (qui signifie « poids » en latin), il a décrit la force fondamentale qui maintient les objets ancrés sur la Terre. Depuis lors, les scientifiques ont utilisé des cartes de la gravité terrestre pour concevoir des systèmes de drainage, tracer des réseaux routiers et étudier les surfaces terrestres. Mais Newton n’imaginait probablement pas que la gravité pouvait révéler de nouvelles informations sur le cycle hydrologique mondial.
Traditionnellement, les scientifiques construisaient des cartes de gravité en combinant des mesures terrestres, des enregistrements de navires et, plus récemment, la télédétection. Cependant, ces mesures n’étaient pas assez précises pour saisir les légers changements dans le mouvement de l’eau qui font varier la gravité au fil du temps. Avec l’aide d’une nouvelle mission satellitaire, les scientifiques peuvent désormais peser l’eau lorsqu’elle circule autour du globe et relier ces mesures aux changements du niveau de la mer, de l’humidité du sol et des calottes glaciaires.
Pour mieux évaluer ces variations de gravité, une équipe internationale d’ingénieurs et de scientifiques a développé la mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). Lancée en mars 2002 en tant que coentreprise entre la NASA et le Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt (Centre aérospatial allemand), la mission a été mise en œuvre grâce à la collaboration entre le Centre de recherche spatiale de l’Université du Texas, le GeoforschungZentrum (Centre national de recherche en géosciences de l’Allemagne) et le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA.
En mesurant les changements de distance entre le satellite principal et le satellite suiveur de la mission GRACE, les scientifiques peuvent déterminer les changements de gravité de la Terre. (Image reproduite avec l’aimable autorisation du NASA Jet PropulsionLaboratory)
GRACE repose sur deux satellites identiques, chacun de la taille d’une voiture. Alors que les satellites volent à une distance d’environ 220 kilomètres (137 miles), l’un après l’autre, un système de télémétrie par micro-ondes surveille la distance qui les sépare à un micron près — plus petit qu’un globule rouge. Les scientifiques peuvent cartographier la gravité n’importe où sur la surface de la Terre en mesurant les minuscules changements de distance entre les deux satellites lorsque chacun d’eux accélère et ralentit en réponse à la force gravitationnelle.
Archivées au Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) de la NASA à Pasadena, en Californie, et au GeoForschungZentrum Information System and Data Center (GFZ/ISDC), les données de GRACE changent la façon dont les scientifiques et les modélisateurs voient la gravité. GRACE fournit des cartes mensuelles qui sont au moins 100 fois plus précises que les cartes précédentes pour détailler les changements du champ de gravité de la Terre. « L’idée classique selon laquelle la gravité est quelque chose que l’on mesure une fois n’est plus acceptée. La gravité est un élément que les scientifiques doivent continuer à surveiller », a déclaré Byron Tapley, directeur du Centre de recherche spatiale et chercheur principal de la mission GRACE.
Parce que les scientifiques ne peuvent pas voir, sentir ou observer directement les forces gravitationnelles, ils cartographient la gravité de la Terre à l’aide d’un modèle mathématique qui décrit une surface sphérique imaginaire appelée le géoïde. Le géoïde représente les océans comme des surfaces lisses et continues non affectées par les marées, les vents ou les courants. Il crée une surface localement horizontale contre laquelle les scientifiques peuvent mesurer l’attraction vers le bas de la gravité.
La gravité est déterminée par la quantité de masse d’un matériau donné, donc plus un objet a de masse, plus son attraction gravitationnelle est forte. Par exemple, le granit est un matériau très dense avec un niveau élevé de masse, il exercera donc une plus grande attraction que le même volume d’un matériau moins dense, comme l’eau. La masse de la Terre est répartie entre divers reliefs et caractéristiques — comme les chaînes de montagnes, les océans et les fosses marines profondes — qui ont tous une masse différente, ce qui crée un champ de gravité inégal.
Cette carte, créée à partir des données de la mission Gravity Recovery andClimate Experiment (GRACE), révèle les variations du champ de gravité de la Terre. Les zones bleu foncé indiquent les zones où la gravité est inférieure à la normale, comme l’océan Indien (à l’extrême droite de l’image) et le bassin du fleuve Congo en Afrique. Les zones rouges foncées indiquent les zones où la gravité est supérieure à la normale. La longue bosse rouge qui dépasse du côté inférieur gauche de l’image indique la chaîne des Andes en Amérique du Sud, tandis que la bosse rouge sur le côté supérieur droit de l’image indique les montagnes de l’Himalaya en Asie. (Image préparée par le Centre de recherche spatiale de l’Université du Texas dans le cadre d’une collaboration pour l’analyse des données avec le Jet Propulsion Laboratory de la NASA et le GeoForschungsZentrum de Potsdam, en Allemagne)
En conséquence, le géoïde ne forme pas une sphère parfaite, et dans les cartes basées sur le géoïde, le champ de gravité de la Terre présente des renflements et des dépressions. « Comme la distribution des matériaux dans les profondeurs de la Terre varie, son champ de gravité présente des collines et des vallées. L’océan essaie de s’étendre le long de cette surface vallonnée », explique Michael Watkins, scientifique du projet GRACE au JPL. Par exemple, la surface de l’océan au large de la pointe de l’Inde est environ 200 mètres plus proche du noyau de la Terre que la surface de l’océan près de Bornéo. Sans les marées, les courants et le vent, la surface de l’océan suivrait les collines et les vallées du géoïde, reflétant les variations de la force gravitationnelle de la Terre.
« Le champ de gravité de la Terre change d’un mois à l’autre principalement en raison de la masse d’eau qui se déplace à la surface », a déclaré Watkins. « Parce que l’eau sous toutes ses formes a une masse et un poids, nous pouvons réellement peser l’océan qui se déplace. Nous pouvons peser les précipitations, et nous pouvons peser les changements dans les calottes polaires. »
Ce diagramme illustre le cycle hydrologique et montre comment l’eau circule sur, sous et au-dessus de la surface de la Terre. Les données de GRACE pourraient permettre d’identifier de nouvelles sources d’eau douce dans les régions arides de la Terre. (Image gracieusement fournie par le Goddard Space Flight Center de la NASA)
GRACE observe le cycle hydrologique de la Terre et permet aux scientifiques de suivre l’eau lorsqu’elle s’évapore dans l’atmosphère, tombe sur la terre sous forme de pluie ou de neige, ou s’écoule dans l’océan. « Les plus grands événements hydrologiques d’eau douce que GRACE détecte sont le ruissellement des pluies dans les plus grands bassins fluviaux, comme l’Amazone, et le cycle de la mousson en Inde », a déclaré Tapley.
Détecter la quantité d’eau qui entre dans les océans est essentiel pour connaître les changements du niveau de la mer. D’autres instruments de télédétection peuvent observer les changements du niveau de la mer, mais ils ne peuvent pas faire la distinction entre l’expansion thermique (lorsque l’eau plus chaude se dilate) et la masse supplémentaire sous forme d’eau ajoutée à l’océan. « GRACE n’est sensible qu’à la partie de la variation du niveau de la mer qui est due à l’ajout de masse d’eau », a déclaré Don Chambers, chercheur au Centre de recherche spatiale. « La plupart des modèles supposent que la masse totale de l’océan est constante, c’est-à-dire qu’il n’y a pas d’eau ajoutée ou retirée. Avec les mesures de GRACE, les modélisateurs devront tenir compte des fluctuations de la masse. »
Développer un compte rendu plus précis de l’évolution du niveau de la mer est important pour les pays de faible altitude comme Tuvalu. Situé dans l’océan Pacifique entre Hawaï et l’Australie, le pays est une combinaison de neuf îles et atolls (îles coralliennes en forme d’anneau qui entourent un lagon). Mais comme les îles n’atteignent que 5 mètres (16 pieds) au-dessus du niveau de la mer à leur point le plus élevé, elles sont vulnérables à la montée des océans. Les données de GRACE peuvent révéler les tendances climatiques à long terme qui peuvent affecter les changements du niveau de la mer.
En plus de jauger les changements de la masse d’eau à la surface de la Terre, GRACE peut détecter les changements d’humidité à grande échelle dans le sous-sol. Par exemple, lors des vagues de chaleur record en Russie en 2002 et en Europe en 2003, les données de GRACE ont permis aux scientifiques de mesurer la quantité d’humidité qui s’est évaporée du sol pendant ces périodes très sèches. Cette capacité permettra également d’alerter les hydrologues sur les changements survenus dans les aquifères et les réserves d’eau souterraines. « Il est très difficile de mesurer la quantité d’eau présente dans les profondeurs du sol et son évolution d’une année sur l’autre. GRACE est l’un des rares outils dont nous disposons pour le faire », a déclaré Watkins. « Il peut nous aider à comprendre l’hydrologie locale, l’évapotranspiration, les précipitations et le ruissellement des rivières, et il peut nous donner une idée de la quantité d’eau disponible dans les profondeurs de la Terre pour l’irrigation et l’agriculture », a déclaré Watkins.
Comme de nombreux atolls de l’océan Pacifique, Aitutaki, aux îles Cook, ne s’élève qu’à quelques mètres au-dessus du niveau de la mer. Plusieurs nations insulaires, comme Tuvalu dans l’océan Pacifique et les Maldives dans l’océan Indien, sont entièrement composées d’îles et d’atolls de faible altitude, ce qui les rend particulièrement vulnérables à l’élévation du niveau de la mer. (Image reproduite avec l’aimable autorisation de Laurie J. Schmidt)
Les scientifiques utilisent également les données de GRACE pour étudier l’eau gelée sous la forme de couches de glace et de grands glaciers. Isabella Velicogna, chercheuse à l’université du Colorado, étudie les changements de masse de la calotte glaciaire du Groenland. « Certaines composantes du cycle saisonnier au Groenland ne sont pas très bien comprises, comme la décharge de glace et l’hydrologie sous-glaciaire. GRACE observe certaines de ces composantes qui sont difficiles à mesurer », a-t-elle déclaré. D’autres instruments, tels que les altimètres, peuvent déterminer les changements d’altitude dans la calotte glaciaire, mais GRACE voit la masse totale, alertant les scientifiques sur la quantité de glace et d’eau qui s’écoule de la calotte glaciaire. « GRACE fournit des informations que vous ne pouvez obtenir d’aucun autre instrument satellitaire », a déclaré Velicogna.
Après avoir analysé deux années de données, Velicogna a signalé une tendance à plus long terme : la calotte glaciaire perd de la masse. Bien que d’autres recherches sur le Groenland soutiennent cette constatation, elle a ajouté que les scientifiques ont besoin d’une série de données plus longue pour comprendre ce qui se passe sur la calotte glaciaire. Le Groenland contient environ 2 600 000 kilomètres cubes de glace qui, si elle fondait, entraînerait une élévation du niveau de la mer d’environ 6,5 mètres (22 pieds). Depuis la fin du XIXe siècle, la fonte des calottes glaciaires et des glaciers a augmenté le niveau de la mer mondial d’environ 1 à 2 centimètres (0,3 à 0,7 pouce) par décennie.
Même les glaciers qui ont fondu il y a longtemps affectent le niveau de la mer aujourd’hui. Par exemple, une grande masse de glace a recouvert la région de la baie d’Hudson pendant la dernière période glaciaire, qui s’est terminée il y a environ 15 000 ans. Aujourd’hui, sans le poids des glaciers, les terres situées sous cette région remontent lentement à un rythme d’environ 1 centimètre (0,3 pouce) par an. Au fil du temps, ce rebondissement postglaciaire affecte les côtes régionales, ce qui complique la lecture des marégraphes et rend plus difficile le suivi des changements du niveau de la mer à l’échelle mondiale. Les données de GRACE permettront aux scientifiques de mesurer le changement qui peut être attribué au rebond postglaciaire, ce qui permettra de déterminer plus facilement dans quelle mesure d’autres facteurs — comme le réchauffement climatique — contribuent à l’augmentation du niveau des mers.
Les investisseurs ont conçu GRACE comme une mission de cinq ans, mais les scientifiques espèrent recueillir des données jusqu’à 10 ans. La prolongation de la durée de vie de la mission leur permettra d’explorer de nouvelles applications pour les données de GRACE. « Nous combinons les mesures de gravité avec d’autres données, comme celles provenant de l’altimétrie des calottes glaciaires ou de l’altimétrie radar. Mais nous essayons toujours de comprendre ce que toutes ces données nous disent », a déclaré Watkins. « C’est une réalisation technique très impressionnante qui nous permet d’effectuer des mesures aussi détaillées. GRACE nous donne une cartographie gravimétrique à haute résolution – c’est un outil de télédétection pionnier. »
Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins, et C. Reigber.2004. The gravity recovery and climate experiment : mission overview and earlyresults. Geophysical Research Letters, 31, L09607, doi:10.1029/2004GL019920.
Chambers, D.P., J. Wahr, et R.S. Nerem. 2004. Preliminary observations ofglobal ocean mass variations with GRACE. Geophysical Research Letters, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.
Pour plus d’informations
NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)
Site web de l’expérience GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)
Fiche d’information GRACE
Les jumeaux spatiaux de GRACE vont faire équipe pour suivre l’eau et la gravité de la Terre
| A propos des données de télédétection utilisées | ||
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| Satellite | Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) |
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| Paramètre | variations de la gravité | |
| DAAC | NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) | |