La gradiométrie spatiale : GOCE

1.3.1.1 Description et objectifs de la mission GOCE

La mission GOCE est la première mission de gravimétrie spatiale cherchant à atteindre une résolution proche de ce que l’on a défini comme la haute-résolution, à savoir la détection des structures du champ aux dimensions comprises entre 1 à 100km. GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) est une mission du programme Living Planet de l’ESA. L’objectif premier de la mission est de fournir une mesure de la composante statique du champ de gravité terrestre avec une grande précision et résolution spatiale. Plus spécifiquement, la mission vise [53] :

• La détermination des anomalies de gravité jusqu’à une résolution de 100km, avec une précision meilleure que 1mGal

• La détermination du géoïde jusqu’à une résolution de 100km, avec une précision de 1cm

Le satellite GOCE a été lancé le 17 mars 2009 et a été placé sur une orbite polaire hélio-synchrone. Son altitude initiale en mode mesure était de 255km [54], soit une altitude où les frottements atmosphériques ne peuvent pas être négligés. De ce fait, GOCE était équipé d’un moteur ionique permettant de compenser la traînée du satellite pour d’une part maintenir le satellite en orbite et d’autre part pour diminuer l’accélération subie par les accéléromètres à un niveau acceptable. La mission a duré plus de 4 ans, soit plus que la durée spécifiée, avant de rentrer définitivement dans l’atmosphère terrestre le 11 novembre 2013.

FIGURE1.8 – Vue d’artiste du satellite GOCE avec ses ailerons et son profil aérodynamique permettant de stabiliser le satellite et de limiter les forces de frottement atmosphérique.

A l’arrière, l’ensemble du moteur ionique. Source :http://www.esa.int/spaceinimages/

Missions/GOCE/%28class%29/image(consulté le 09/06/2014)

L’élément principal de la charge utile de GOCE est le gradiomètre, permettant de mesurer le tenseur gradient d’accélération en un point situé au centre de masse du satellite. Cet instrument nommé EGG pourElectrostatic Gravity Gradiometer, est composé de six accélé-romètres électrostatiques arrangés par paire et distant de 50cm. Chacune des trois paires forme un axe du gradiomètre se croisant perpendiculairement en leur milieu comme indi-qué sur la figure 1.9(b). Chaque accéléromètre électrostatique mesure les trois composantes de l’accélération dans son repère, avec cependant une sensibilité moindre selon l’un des axes [55]. Le principe des accéléromètres de GOCE repose sur le contrôle en position d’une masse d’épreuve placée dans le vide. La force électrostatique appliquée sur cette masse pour la maintenir en position est alors directement proportionnelle à la différence entre l’accélération du centre de masse du satellite et l’accélération gravitationnelle à laquelle est soumise la masse d’épreuve. On montre alors que la différence d’accélération mesurée entre 2 extrémités d’un bras est proportionnelle au gradient d’accélération dans la direction

du bras.

(a) Vue du gradiomètre EGG (b) Schéma de la configuration des accéléromètres de l’EGG

FIGURE 1.9 – Le gradiomètre électrostatique embarqué sur le satellite GOCE. A gauche, une vue de l’instrument tel qu’il a été fixé dans le satellite. A droite, une vue schématique de la disposition et de l’orientation des 6 accéléromètres électrostatiques constituant le gradiomètre. Source : ESA.

1.3.1.2 Utilisation des données GOCE

Les principaux produits issus des données GOCE (fournis par l’ESA) sont des modèles de champ de gravité exprimés sous forme de coefficients de développement en harmoniques sphériques. La cinquième génération du modèle de champ de gravité issue uniquement de mesures GOCE a été rendu publique en Juillet 2014. C’est un modèle en harmoniques sphériques allant jusqu’au degré/ordre 280, soit une résolution spatiale d’un peu plus de 70km. Il a été calculé à partir d’environ 42 mois de mesure, incluant notamment les mesures réalisées par le satellite sur sa dernière orbite stable à 235km [56].

Comme le sigle de GOCE l’indique, l’un des principaux objectifs scientifiques de la mission est de permettre une meilleure connaissance du champ de gravité afin de mieux observer la circulation océanique : à partir des mesures gradiométriques est déduit un géoïde qui va permettre de déterminer les courants à l’équilibre géostrophique selon le principe dé-crit précédemment (section 1.1.3). Avec cette mission spatiale, la topographie dynamique moyenne des océans a été révélée pour la toute première fois avec une résolution homogène de l’ordre de 100km. Avec une meilleure précision sur le géoïde, la précision des champs de vitesse de courant s’est accrue par rapport aux modèles précédents. Ainsi, Pailet.al.

(2014)[57] montrent que pour une résolution donnée (degrés/ordre 180), l’erreur sur le champ de vitesse diminue de 12 à 10cm/s pour un modèle de géoïde issu uniquement de mesures GOCE, par rapport à un modèle issu uniquement de données GRACE. Des conclu-sions concordantes sont obtenues par Knudsenet.al.(2011)[58] en utilisant seulement les données issues des 2 premiers mois de mesure GOCE. Une amélioration des résultats obtenus est attendue avec la dernière génération de modèle de champ.

L’intérêt des données gradiométriques de GOCE ne se limite pas seulement à son utilisation en océanographie physique et géodésique [59]. Outre l’aspect d’une meilleure résolution spatiale sur le champ de gravité global, la directionnalité des gradients s’est révélée être per-tinente pour l’étude des distributions de masses au sein de la Terre et pour la géodynamique en général. Ainsi Panetet al.(2014) [60] ont pu mettre en relation des structures spatiales apparaissant dans les anomalies de gradient de gravité à l’altitude de GOCE avec la distribu-tion de masse et la dynamique mantellique. Les motifs de grande échelle (quelques milliers de kilomètres) que l’on peut observer dans les gradients de GOCE sont en effet associés à des anomalies de masse en profondeur, correspondant par exemple à d’anciennes zones de subduction, à des plumes profondes ou encore des instabilités convectives présentes à des profondeurs comprises entre 1000 et 2500km. Les données gradiométriques spatiales apparaissent donc comme un moyen complémentaire de la tomographie sismique pour révéler la dynamique du manteau et sa géométrie. La sensibilité des gradients de gravité de GOCE aux distributions de masse peu profondes est également mise à profit pour l’étude de la lithosphère. On peut citer entre autres la détermination de la limite entre la croûte terrestre et le manteau supérieur (Moho) en Amérique du sud[61][62] ou sous le Tibet [63].

Ce type d’étude vise à identifier la contribution dans le signal gravimétrique de la variation d’épaisseur de la croûte et de la compensation isostatique afin de mieux caractériser en retour les structures géologiques de sub-surface intéressantes [64]. De ce fait, les données GOCE peuvent également être utile à des fins de prospection minière [65].