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RÉSUMÉ
Cet article fait le point sur les avancées récentes de la mesure de la pesanteur terrestre, mesure essentielle pour la connaissance de la forme de la Terre, mais également en géophysique, en géodésie, en physique fondamentale et en métrologie. Sont présentées les mesures disponibles, absolues et relatives, ainsi que les mesures particulières (puits, fond de mer, en avion, depuis l’espace) effectuées dernièrement. L’évolution des instruments de mesure, des techniques spatiales et l’utilisation des satellites ont énormément contribué à ces nouvelles connaissances.
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Michel DIAMENT : Physicien à l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP) - Laboratoire de gravimétrie et géodynamique, département de géophysique spatiale et planétaire (UMR CNRS/IPGP/Paris-7 7096)
INTRODUCTION
La mesure de la pesanteur terrestre est utile pour de nombreuses applications : en géophysique, en géodésie en passant par la navigation, la physique fondamentale et la métrologie. En géophysique [R 2 345] [C 224], l’analyse et la modélisation des variations spatiales ou temporelles du champ de pesanteur permettent d’avoir accès à la structure en densité du globe terrestre et à ses éventuelles variations. Les applications vont de la physique du globe au génie civil en passant par la volcanologie, l’étude des ressources naturelles, l’océanographie et l’hydrologie. En géodésie [C 5 010], la connaissance des anomalies de pesanteur permet de déterminer l’altitude du géoïde (surface équipotentielle du champ de pesanteur terrestre qui se confond avec le niveau moyen des mers) par rapport à un ellipsoïde de référence. Il s’agit donc d’une mesure fondamentale pour la connaissance de la forme de la Terre. La connaissance de l’altitude du géoïde par rapport à un ellipsoïde de référence est également indispensable pour pouvoir comparer des résultats de mesures de nivellement utilisant des techniques spatiales (GPS : Global Positioning System) avec ceux de mesures classiques [1].
Depuis quelques années, nos connaissances sur le champ de pesanteur terrestre ont énormément progressé du fait, d’une part, des évolutions des instruments de mesure et, d’autre part, de l’apport des techniques spatiales. Les satellites ont permis de réaliser à la fois des mesures complémentaires comme l’orbitographie, l’altimétrie satellitaire [E 4 140], les méthodes de positionnement (GPS) [TE 6 715], la connaissance de la topographie que des mesures directes de la gravité terrestre à partir de missions dédiées.
On mesure désormais le module g du vecteur pesanteur g mais également ses gradients spatiaux (les éléments du tenseur dit de gradiométrie Txy ) à terre, en mer, en fond de mer, en avion, depuis l’espace.
On connaît également le champ de gravité d’autres corps du système solaire (planètes comme Mars et Vénus, satellites comme la Lune et même de certains « petits corps »).
Une partie de ce texte est adaptée du chapitre « Forme de la Terre et mesure de la pesanteur » de l’ouvrage Géophysique [19].
Cette étude a bénéficié des informations ou documents que Nicole Debéglia (Bureau de recherches géologiques et minières – BRGM), Sébastien Déroussi (Bureau FROG – French Resources Organization on GOCE), Arnaud Landragin (CNRS-BNM-SYRTE), Guillaume Martelet (BRGM) et Michel Sarrailh (Bureau gravimétrique international – BGI) m’ont communiqués ainsi que des commentaires de Marc Priel sur une version préliminaire. Je les en remercie. Je tiens à exprimer ma gratitude à Anne-Marie Gaulier pour sa patience.
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- Version archivée 1 de oct. 1988 par Jean-Claude RADIX
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Types de mesures. Réseaux de bases1. Champ de pesanteur terrestre
Un point massique à la surface de la Terre, en rotation avec elle, subit une accélération appelée accélération de la pesanteur. Cette accélération est la résultante des attractions newtoniennes des masses de la Terre (la gravité), de l’accélération centrifuge due à la rotation de la Terre, de l’attraction newtonienne des autres corps du système solaire (en pratique, il s’agit essentiellement de la Lune, pas très massique mais proche et du Soleil, éloigné mais très massique). Le module de l’accélération de la pesanteur en un point et en un instant donné, qu’on appelle la pesanteur (gravity dans les publications anglo-saxonnes), dépend donc de la répartition des masses dans la Terre et au voisinage immédiat du point de mesure, de la position géographique de celui-ci et de sa position relative par rapport à la Lune et au Soleil.
Dans le système international (SI), l’unité de la pesanteur est le mètre par seconde carrée (m/s2). Les variations spatiales ou temporelles qui intéressent les géophysiciens et géodésiens sont comprises entre 10–9 et 10–3 m/s2 et on utilise fréquemment le micromètre par seconde carrée (1 µm/s2 = 10–6 m/s2), également appelé gravity unit dans certaines publications anglo-saxonnes, ou le nanomètre par seconde carrée (1 nm/s2 = 10–9 m/s2). Les géophysiciens et géodésiens continuent à utiliser une unité de l’ancien système CGS, le gal, noté Gal, ainsi nommé en hommage à Galilée, qui vaut 10–2 m/s2, ainsi que ses subdivisions : le milligal (mGal) qui vaut 10–5 m/s2 et le microgral (µGal) égal à 10–8 m/s2. Une des raisons, outre l’habitude, pour cet usage d’une unité « illégale » est que les densités et les masses volumiques (appelées density dans les publications anglo-saxonnes et données avec une unité) ont la même valeur numérique dans le système CGS.
Il existe également une unité utilisée pour les gradients de la pesanteur. Il s’agit de l’eötvös, noté E, d’après le nom d’un géophysicien hongrois : 1 E = 0,1 µGal / m = 10–9 s–2.
Le...
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Champ de pesanteur terrestre
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DUQUENNE (H.) - QGF98, a new solution for the quasigeoid in France. - Finnish Geodetic Institute, Report 98:4, pp. 251-255. Proceedings of the 2nd Continental Workshop on the Geoid in Europe, Budapest, mars 10-14, 1998.
-
(2) - LONGMAN (I.M.) - Formulas for computing the tidal accelerations due to the moon and the sun. - Journal of Geophysical Research, 64, no 12, 2351-2355 (1959).
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(3) - MERRIAM (J.B.) - Atmospheric pressure and gravity. - Geophysical Journal International, 109, 488-500 (1992).
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(4) - NIEBAUER (T.M.), SASAGAWA (G.S.), FALLER (J.E.), HILT (R.), KLOPPING (F.) - A new generation of absolute gravimeters. - Metrologia, 32, 159-180 (1995).
-
(5) - BROWN (J.M.), NIEBAUER (T.M.), RICHTER (B.), KLOPPING (F.J.), VALENTINE (J.G.), BUXTON (W.K.) - A New Miniaturized Absolute Gravimeter Developed for Dynamic Applications. - Eos Trans. AGU, 80(32), 10 août 1999.
-
(6)...
JOUSSET (P.) - Études microgravimétriques sur les volcans. Applications sur le Merapi (Java Central) : implications pour sa structure et son dynamisme éruptif. - Université Paris-7 et IPGP (1996).
MARTELET (G.) - Modélisation de la structure crustale et du comportement mécanique de la lithosphère à partir des anomalies gravimétriques. Applications à l’Himalaya et au massif granitique du Mont-Lozère, Cévennes. - Université Paris-7 et IPGP (1999).
VERDUN (J.) - La gravimétrie aéroportée en région montagneuse. Exemple du levé franco-suisse sur les Alpes occidentales. - Université de Montpellier-2 (2000).
BOY (J.P.) - Effets des surcharges atmosphériques sur les variations de gravité et les déplacements de surface de la Terre. - Université de Strasbourg-1 (2000).
ROSAT (S.) - Variations temporelles de la gravité en relation avec la dynamique interne de la Terre. - Université de Strasbourg-1 (2004).
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Association française de normalisation AFNOR http://www.afnor.fr
NF X02-011 (11-1974), Valeur de la pesanteur terrestre
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