Bibliographie & annexes
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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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Mesures relatives3. Mesures absolues
Une mesure absolue de la pesanteur doit donner la valeur de l’accélération de la pesanteur à partir de mesures de temps et de distance.
Les premières mesures furent réalisées à l’aide de pendules. En effet, la période d’oscillation T d’un pendule simple de longueur
est :
Par exemple, les mesures faites à Postdam (Allemagne) en 1906 par MM. Kühnen et Furtwangler ont servi à l’établissement de la base principale d’un système, dit de Postdam, longtemps utilisé. La valeur trouvée de 981 274,0 mGal a été depuis reconnue erronée de près de 14 mGal.
En fait, les pendules ne permettent pas d’obtenir des mesures absolues de la pesanteur avec une précision meilleure que le milligal. On a pu gagner un facteur 10 en précision en utilisant des pendules réversibles.
La méthode couramment utilisée aujourd’hui est basée sur l’observation de la chute libre d’un corps.
Dans les années 1950, Volet a développé au Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Sèvres un gravimètre utilisant un corps catapulté vers le haut. On mesure alors les temps de passage à deux niveaux à la montée et à la descente.
On peut démontrer facilement que si H est la différence d’altitude entre les deux niveaux, ΔT et Δt les différences de temps aux passages aux stations respectivement basse et haute, alors :
Ce principe a été utilisé par Sakuma au BIPM entre 1963 et 1996. Les améliorations que Sakuma a réalisées au cours du temps, notamment grâce aux progrès de l’instrumentation et à la prise en compte de plus en plus de facteurs extérieurs influençant la mesure lui ont permis d’arriver à une précision de l’ordre de quelques microgals dans les années 1990.
On peut également utiliser la chute simple, comme par...
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Mesures absolues
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).
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(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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