1.3.1 Mesures d’observatoire
Les premiers observatoires magnétiques datent du xixesiècle et ont été mis en place par Carl Friedrich Gauss. Ceci lui avait permis à l’époque de calculer la toute première décom-position du champ magnétique terrestre en harmoniques sphériques (cf. [Matzka et al., 2010]). Le nombre d’observatoires magnétiques dans le monde a ensuite progressivement aug-menté, ainsi que l’illustre la figure1.13atirée de [Matzka et al., 2010]. En 1987 a été créé le réseau Intermagnet, qui est une organisation internationale facilitant l’échange des don-nées entre observatoires et proposant un cahier des charges pour standardiser la qualité des mesures magnétiques. A l’heure actuelle, Intermagnet compte 150 observatoires, représen-tés figure1.13bobtenue selon les informations du site internethttp://intermagnet.org. Un observatoire est généralement équipé d’un magnétomètre fluxgate permettant une mesure automatique de la direction du champ. Ces magnétomètres sont, comme nous le verrons, d’excellents variomètres mais nécessitent une calibration régulière afin de com-penser d’éventuelles dérives. Ces calibrations sont effectuées régulièrement par des opéra-teurs avec un magnétomètre à précession libre, conduisant ainsi à l’estimation de lignes de base (ou baselines en anglais) pour corriger les données. Pour plus d’information sur le protocole de mesure, le lecteur peut se référer à [Bitterly and Lalanne, 2011].
(a) Evolution du nombre d’observatoires magnétiques dans le monde et de la fréquence d’acquisition. La chute apparente du nombre d’observatoires en 2010 est un artefact dû au délai nécessaire pour la production des données définitives.
180° W 135° W 90° W 45° W 0° 45° E 90° E 135° E 180° E 90° S 45° S 0° 45° N 90° N
(b) Localisation des observatoires du réseau Intermagnet en mai 2019
1.3.2 Mesures satellites
Avec l’avénement de l’ère spatiale, l’idée est très vite venue d’embarquer des magnéto-mètres sur des satellites. L’interêt par rapport aux observatoires terrestres est immédiat : la possibilité d’avoir une couverture géographique des données beaucoup plus large et ré-gulière. En contrepartie, notre satellite se déplaçant dans l’espace, la difficulté de séparer variation spatiale et temporelle survient.
Les toutes premières mesures spatiales du champ magnétique ont été effectuées par le satellite soviétique Sputnik 3 en 1958. Le satellite embarquait un fluxgate triaxial et évoluait sur une orbite elliptique avec une inclinaison de 65.2◦. Les données recueillies étaient toutefois loin d’être précises et une panne est survenue sur l’enregistreur de bord, limitant grandement l’acquisition des données (voir [Hulot, 2015]).
Les premières missions dédiées à la mesure du champ magnétique furent par la suite les satellites POGO ou Polar Orbiting Geophysical Observatories qui ont consisté, pour le géomagnétisme, en 3 satellites OGO-2, OGO-3 et OGO-6 lancés consécutivement entre 1965 et 1969. Ces satellites ont fourni des données uniquement scalaires. Mais leur exploi-tation scientifique a rapidement bloqué sur le problème de l’effet Backus : la construction d’un modèle de champ magnétique interne à partir des seules mesures scalaires à la sur-face d’une sphère contenant les sources magnétique est un problème non-unique1 (voir [Backus, 1970]).
La mission MAGSAT de la NASA a été la première à produire des données vectorielles. La mission a duré 6 mois entre 1979 et 1980 et consistait en un seul satellite évoluant sur une orbite basse quasi-polaire. Les instruments embarqués étaient un fluxgate et un magnétomètre absolu. Les données générées ont permis l’élaboration du premier modèle basé sur des données vectorielles spatiales (voir [Langel and Estes, 1985]).
Près de 20 ans plus tard, le Danemark lance le satellite Ørsted suivi peu après par le satellite allemand CHAMP. Le satellite Ørsted a été lancé en février 1999 et a fourni des données magnétiques vectorielles jusqu’en novembre 2005 et scalaires jusqu’en février 20112. La mission CHAMP, débutée en juillet 2000 a duré quant à elle dix ans. La figure
1.14 présente ces deux satellites. Une réplique des instruments vectoriels d’Ørsted fut également embarquée à bord de la mission argentine SAC-C lancée en Novembre 2000. Néanmoins, une avarie est survenue empêchant la restitution de l’orientation du satellite et, par là-même, des mesures vectorielles. Notons que les données fournies par ces missions ont permis l’élaboration d’un certain nombre de modèles géomagnétiques parmi lesquels nous pouvons citer :
— les modèles GRIMM : [Lesur et al., 2008], [Lesur et al., 2010], — le modèle CM5 : [Sabaka et al., 2015],
— les modèles CHAOS : [Olsen et al., 2006], [Olsen et al., 2009], [Olsen et al., 2010b]. Le tableau 1.2, inspiré de [Hulot et al., 2015a], synthétise les caractéristiques de ces précédentes missions satellitaires. Nous limitons notre étude aux missions spatiales dé-diées au champ magnétique terrestre, mais de nombreuses missions ont également étudié les champs magnétiques des autres planètes et satellites de notre système solaire. Nous pouvons par exemple citer Mariner 10 ou BepiColombo pour Mercure ; Mariner 4, Phobos ou Mars Global Surveyor pour Mars ou enfin Pioneer 10 pour Jupiter. La présentation de
1. Khokhlov et al. montreront en 1997 que l’ajout de la localisation de l’équateur magnétique permet d’éliminer cette non-unicité, voir [Khokhlov et al., 1997]
2. Ørsted est actuellement toujours en orbite mais ne transmet plus aucune donnée. Par ailleurs, une anomalie probablement due aux radiations a endommagé les caméras stellaires en novembre 2005, empêchant toute restitution d’attitude.
(a) Ørsted. Crédits : DTU.
(b) CHAMP. Crédits : GFZ.
Satellite Cycle de vie Inclinaison Altitude Données OGO-2 Oct. 1965 - Sep. 1967 87◦ 410 - 1510 km Scalaire OGO-4 Jul. 1967 - Jan. 1969 86◦ 410 - 910 km Scalaire OGO-6 Jun. 1969 - Jun. 1971 82◦ 400 - 1100 km Scalaire MAGSAT Nov. 1979 - Mai. 1980 97◦ 325 - 550 km Vecteur + Scalaire ØRSTED Fev. 1999 - . . . 97◦ 650 - 850 km Vecteur + Scalaire CHAMP Jul. 2000 - Sep. 2010 87◦ 250 - 450 km Vecteur + Scalaire
SAC-C Jan. 2001 - Dec. 2004 97◦ 698 - 705 km Scalaire Table 1.2 – Précédentes missions satellite
ces missions sortirait du cadre de ce manuscrit mais nous invitons le lecteur à se référer à [Balogh, 2010] pour de plus amples informations.