Imprimir PDF Republish

Géophysique

La Terre modelée par la gravité

Des mesures précises déforment la sphère parfaite vue de l’espace

Publié en mars 2011

EDUARDO CESARComme pour Newton, la gravité continue à exciter l’imagination, menant à des conclusions déroutantes. L’une d’entre elles : celui qui voyage en bateau de la ville du Cap en Afrique du Sud, à Belém, dans l’État du Pará, va parcourir une descente imperceptible. À cause des différences de masse de la planète sur le trajet entre ces deux villes (et, donc, des variations du champ de gravité de la Terre), le niveau de la mer au port du sud de l’Afrique du Sud est à 70 mètres au-dessus de la hauteur de la mer à Belém.

« Personne ne perçoit cette différence de niveau car la distance entre l’Afrique du Sud et le Brésil est très grande, presque 8 000 kilomètres », assure le géophysicien Eder Cassola Molina, professeur de l’Institut d’Astronomie, Géophysique et Sciences Atmosphériques (IAG) de l’Université de São Paulo (USP). « Cela mis à part, la superficie de la mer est courbe puisque notre planète a la forme approximative d’une sphère. » En vue de passer le concours de professeur agrégé, il a élaboré l’année dernière la carte de l’Atlantique Sud qui propose ces conclusions. Actuellement, une version réduite en format A4 est affichée à la porte d’une des armoires de son vaste laboratoire.

La force gravitationnelle exprime l’attraction physique entre les corps – et varie selon la masse. La marée océanique est un exemple quotidien de l’action de cette force, résultat de l’interaction gravitationnelle entre la Terre, la Lune, le Soleil et qui fait que la Terre se déforme quotidiennement. Capable d’agir sur n’importe quel point de l’Univers, la force de gravité fait en sorte que les corps en chute libre proche de la superficie terrestre souffrent une accélération d’environ 9,8 m/s2, c’est-à-dire que leur vitesse de chute augmente de 9,8 m/s à chaque seconde.

L’accélération de la gravité varie subtilement sur chaque point de la Terre suivant le relief et la densité des roches de son intérieur, puisque la distribution de la masse sur la Terre est hétérogène. Il s’ensuit un effet intéressant : « La distribution de masse de la Terre contrôle le niveau dans lequel l’eau de mer va se trouver à un instant donné, puis la superficie instantanée de la mer s’ajuste suivant le champ de gravité. Ainsi, il y a des hauts et des bas sur la superficie océanique », explique Molina. « Le niveau de la mer n’est pas constant et varie avec le temps et la localisation géographique. En vérité, il n’existe même pas un niveau de la mer, mais un niveau moyen ou un niveau instantané de la mer. »

Sur l’un des ordinateurs près du mur, Cassola Molina montre une autre carte, qui détaille les variations de hauteur de l’eau sur la côte brésilienne. Sur cette carte, publiée en décembre 2010 dans la revue Journal of Geodynamics, une tâche rouge au nord-est de la région Nordeste du Brésil représente une zone sur laquelle l’eau de mer doit être 10 mètres au-dessus des zones adjacentes, marquées en vert et en bleu. « Avec une de ces cartes à portée de main », déclare Molina, « le pilote d’une embarcation pourrait dévier des zones les plus élevées même sans les voir, et économiser du temps et du carburant ». Même en étant utile, cette image est néanmoins un défi à l’imagination, principalement des plus sceptiques qui diront n’avoir jamais vu une pente avec de l’eau qui s’écoule en plein milieu de la mer.

En mer et sur terre

La représentation de la Terre exprime la force de la gravité plus intense dans les régions en rouge

NASALa représentation de la Terre exprime la force de la gravité plus intense dans les régions en rougeNASA

Fernando Paolo, qui actuellement fait son doctorat à l’Institut Scripps d’Océanographie aux États-Unis, a préparé cette carte en 2010, pendant que Molina, qui était son directeur de recherches, préparait la carte plus grande. Les deux images sont le résultat de la somme de deux sources d’informations, l’une locale et l’autre globale. La première représente les appareils qui mesurent la variation du champ de gravité, les gravimètres, installés sur des bouées fixées à l’arrière de 300 navires qui ont parcouru la côte de l’Afrique et du Brésil au cours des 30 dernières années. L’autre correspond aux mesureurs de variation de l’altitude de la mer installés sur deux satellites, le Geosat, lancé par la Marine des États-Unis en 1986, et le Satellite Européen de télédétection (ERS-1), en orbite depuis 1995. « En utilisant les deux sources d’information, nous avons développé une méthodologie qui nous a permis de découvrir dans certaines régions, comme la plateforme continentale brésilienne, davantage que les chercheurs qui étudient cette même région en employant uniquement des données de satellites », commente Molina.

La mesure des variations de l’altitude de l’eau de mer en utilisant un satellite peut – même si cela semble étrange au premier abord – indiquer des vallées ou des collines de la superficie océanique qui ne sont pas détectées par d’autres méthodes, puisque tout ce que le satellite examine n’a pas été évalué par des relevés bathymétriques, assez coûteux et difficiles à réaliser. Sur terre, ce genre de mise à niveau, fait par des appareils GPS (systèmes de positionnement globaux), qui exige une bonne connaissance du champ de gravité, est en train de substituer les mesures de relief par la mise à niveau géométrique classique, obtenues par des équipements appelés théodolites : chaque mesure indiquait les variations de relief environ tous les 100 mètres, couvrant peu de kilomètres par jour.

« Toute œuvre d’ingénierie suppose des données précises sur l’altitude » affirme Denizar Blitzkow, professeur de l’École Polytechnique de l’USP. Les instruments avec lesquels il a commencé à mesurer les variations de la gravité à São Paulo dans les années 1970 sont aujourd’hui dans le futur musée du génie civil, qui doit ouvrir ses portes cette année.

Cette façon de mesurer les variations associées au champ de gravité ajoutée à d’autres techniques a indiqué, par exemple, des réserves de pétrole dans des régions du Nordeste brésilien. La mesure de la variation de masse – et de la force et de l’accélération de la gravité, directement proportionnelles à cette masse – signale également où il peut y avoir des minerais ou des cavernes inexplorées, permet d’élucider des détails auparavant inexplicables de cartes géologiques, révélant des différences dans l’épaisseur de la lithosphère (la couche superficielle de la Terre) et, enfin, de montrer comment et où la quantité d’eau de réservoirs souterrains dans les grands aquifères peut osciller au cours de l’année. « Il y a juste quelques années », explique Molina, qui a commencé à travailler avec la gravimétrie au début des années 1980, « tout cela était impossible ».

Les informations de deux nouveaux satellites européens, le Grace et le Goce, détaillent les variations du champ de gravité depuis 2003 et permettent la construction d’une image plus exacte, quoiqu’un peu inconfortable, des formes de la Terre. Les grecs imaginaient la Terre comme une sphère parfaite, mais cette perfection s’est défaite à la Renaissance, à mesure que se consolidait la possibilité de la planète tourner continuellement. Newton affirmait qu’en conséquence du mouvement de rotation, la Terre devait être aplatie.

Vue de l’espace, la planète continue à paraître une sphère quasi parfaite, même si les cartes établies sur la base de l’accélération de la gravité représentent une Terre déformée, parfois en assumant une forme qui rappelle un cœur. « Les satellites nous montrent que nous avions tort. Grâce à des mesures plus récentes nous avons vérifié que la Terre est très peu aplatie » explique Blitzkow. La mesure de l’axe de la Terre à l’équateur a rétréci de 250 mètres, passant de 6 370 388 mètres en 1924 aux actuels 6 370 136,5 mètres.

Depuis 1982 Blitzkow travaille avec des équipes de l’IBGE (l’Institut Brésilien de Géographie et de Statistique) sur des cartes de la variation du champ de gravité sur tout le territoire national. La version la plus récente, qui inclut d’autres pays d’Amérique du Sud, est sortie en 2010, montrant que la force ou l’accélération de la gravité est inférieure sur une région qui inclut le Ceará, une petite partie des États voisins et la région centrale du pays, jusqu’au nord de l’État de São Paulo.

Andes et Amazonie 
Quelques jours avant Noël 2010, une semaine avant le délai final, Gabriel do Nascimento Guimarães a présenté à Blitzkow la quatrième version d’une carte plus détaillée, avec des variations du champ de gravité de l’État de São Paulo – résultat de 9 000 points de mesure sur terre, complétés par des informations des satellites Grace et Goce. Cette étude fait partie du doctorat de Guimarães et d’un projet plus vaste, coordonné par João Francisco Galera Mônico, de l’Université d’État Paulista (Unesp) à Presidente Prudente, dirigé vers ce que l’on appelle l’agriculture de précision, qui recherche les meilleures conditions de culture et de cueillette.

Les cartes géodésiques, faites à partir des différences d’éléments du champ de gravité, masquent les différences de relief. Sur la carte de la hauteur géoïde de l’État de São Paulo, le relief présente des variations d’à peine six mètres de hauteur d’Est en Ouest, sans aucun signe des montagnes de 1200 mètres d’altitude proches du littoral. Sur la carte de l’Amérique du Sud, les régions les plus hautes sont sur les Andes, mais avec uniquement 40 mètres au-dessus du niveau zéro, qui correspond à celui de l’Amazonie.

Le concept selon lequel l’accélération de la gravité reflète la distribution de la masse aide à comprendre ces différences actuellement si petites. « Les Andes, malgré leurs 6 000 mètres d’altitude, ne possèdent qu’un peu plus de masse que l’Amazonie », explique Blitzkow. « Si nous pouvions prendre et peser un cylindre de la superficie d’une montagne des Andes et un autre de l’Amazonie, nous verrions que la différence de poids n’est pas aussi intense que la variation de l’altitude. » Sur la carte des altitudes géoïdes de la Terre, la cordillère de l’Himalaya ne dépasse pas une petite colline.

Construit par des Allemands et des Nord-américains, le Grace, abréviation de Gravity Recovery and Climatic Experiment, est un ensemble de deux satellites jumeaux, séparés entre eux de 200 kilomètres et qui ont été lancés dans l’espace en 2002. Comme ils se trouvent sur une orbite de basse altitude, d’à peine 250 kilomètres (d’autres satellites avec des fonctions similaires étaient à au moins mille kilomètres), ils mesurent les interférences les plus subtiles des montagnes et des vallées de la Terre sur la trajectoire de chacun d’eux : les équipements de bord enregistrent les variations de millésimes de millimètres dans la distance entre eux. Le Goce, sigle pour Gravity Field and Steady-state Ocean Circulation Explorer, a été construit par la Communauté Européenne et lancé en 2009 pour établir un registre complémentaire, celui de la variation des divers éléments du champ de gravité par rapport à trois axes préétablis.
L’accélération de la gravité gagne constamment de nouvelles applications. L’origine de la gravité, néanmoins, différemment de celle d’autres forces, telle l’électricité et le magnétisme, demeure un mystère. Personne ne sait comment le Soleil attire la Terre et, dans une proportion moindre, comment la Terre attire le Soleil.

Le projet
Gnss : Investigations et applications sur le positionnement géodésique dans des études liées à l’atmosphère et à l’agriculture de précision – nº 2006/04008-2 Modalité Projet Thématique Coordonnateur João Francisco Galera Mônico – Unesp Investissement 1.279.880,42 réaux (FAPESP)

Article scientifique
Paolo, F.S.; Molina, E.C. Integrated marine gravity field in the Brazilian coast from altimeter-derived sea surface gradient and shipborne gravity. Journal of Geodynamics. v. 50, p. 347-54. 2010.

Republish