ACCÉLÉROMÈTRES SPATIAUX

Trois missions de géodésie spatiale : à chacune son accéléromètre

Goce est la troisième mission de géodésie spatiale depuis 2000, après le satellite Champ (CHAllenging Mini-satellite Payload) de l'agence spatiale allemande D.L.R. (alors D.A.R.A.), lancé le 15 juillet 2000, et les deux satellites Grace (Gravity Recovery and Climate Experiment) de la N.A.S.A., mis en orbite le 17 mars 2002. Ces trois satellites, dont la durée de vie prévue n'était que de cinq ans, étaient en 2010 toujours opérationnels et continuaient de transmettre leurs données scientifiques. Chacun de ces satellites embarque un accéléromètre électrostatique triaxial développé à l'O.N.E.R.A., instrument qui permet de mesurer avec une grande précision les forces de surface qui s'exercent sur les satellites et qui concourent à modifier leurs orbites, en plus des effets du champ gravitationnel auquel ils sont soumis. Ainsi, en reconstituant la trajectoire précise du satellite Champ au moyen d'un récepteur G.P.S. également embarqué et associé à l'accéléromètre, il est possible de remonter aux anomalies de gravité terrestre : cette méthode est particulièrement précise aux harmoniques les plus bas du développement sphérique du potentiel, qui correspondent à des longueurs d'onde géographiques supérieures à 500 kilomètres. Les résultats de la mission Goce vont donc être complémentaires, car plus locaux.

Dans le cas de la mission Grace, deux satellites quasi identiques se suivent sur la même orbite, à une distance de 220 kilomètres environ. Les mesures fournies par les accéléromètres sont alors associées à la mesure de la vitesse relative des satellites, obtenue au moyen d'un faisceau micro-onde avec une précision de l'ordre du micromètre par seconde : les variations de distance entre les deux satellites dépendent des fluctuations du champ de gravité terrestre le long de l'orbite et des forces de surface. Une cartographie du champ terrestre est alors réalisée tous les mois, quand la rotation terrestre associée au mouvement orbital du satellite a permis de survoler l'ensemble du globe. La mission Grace s'intéresse particulièrement aux variations saisonnières de ce champ, qui sont représentatives des fluctuations des grandes masses à la surface de la Terre. Grace a par exemple permis de mesurer l'évolution annuelle et le taux de fonte actuel du glacier recouvrant le Groenland (celle-ci correspond à 154 milliards de tonnes par an) ; les évolutions inverses des bassins hydrologiques de l'Amazone et de l'Orénoque ont été décrites mensuellement ; le déplacement des masses continentales qui a provoqué le séisme à l'origine du tsunami de Sumatra présente également une signature gravitationnelle qui a été mesurée. On pourrait multiplier les exemples.

Les instruments utilisés pour ces missions sont de la même famille que ceux du gradiomètre Goce : le concept de suspension électrostatique à six axes est identique ; la technologie de réalisation du capteur est la même et les fonctions électroniques sont similaires. Cependant, par l'ajustement de certains paramètres – comme le potentiel électrique appliqué à la masse, la sensibilité des détecteurs de position, le niveau de tension appliqué sur les électrodes afin d'agir sur la masse, la distance entre les électrodes et celle-ci –, il est possible de modifier la fenêtre de mesure. Ainsi, cette distance est passée de 75 micromètres à 175 micromètres, puis à 300 micromètres pour les accéléromètres Star (mission Champ), SuperStar (mission Grace) et Gradio (mission Goce), augmentant ainsi la sensibilité de l'appareil de trente fois, puis de cinquante fois, la faisant passer de 300 pico-g à 10 pico-g puis à 0,2 pico-g. Pour les deux premiers instruments, les masses d'épreuve sont réalisées en alliage de titane,[...]