Le noyau

Le noyau, de rayon 3 500 km, est constitué de fer liquide pour ses deux tiers externes mais abrite une graine solide en son centre. Le noyau est le siège du champ magnétique interne qui nous apparaît à la surface comme essentiellement dipolaire.

Seules les mesures par satellite peuvent nous permettre de cartographier dans sa totalité ce champ en réalité plus complexe, ainsi que sa dérivée temporelle. Après Magsat, il y a 25 ans, la communauté magnétique a dû attendre le début du siècle (Ørsted, 1999, Champ, 2000, Sac C, 2000) pour mesurer des variations qui atteignent près de 10% du champ moyen en 20 ans.

Amplitudes du champ magnétique (carte du haut) et de ses variations (carte du bas) en 20 ans. En Atlantique Sud les variations dépassent 10%. Les géophysiciens n'ont pas encore pu cartographier les variations (secousses magnétiques) de plus petite échelle temporelle. ©IPGP

Les équations de l'électromagnétisme relient le champ magnétique et sa dérivée temporelle aux vitesses d'écoulement du fer dans le noyau. C'est un de nos rares moyens pour comprendre ce phénomène fondamental qu'est la dynamo terrestre. Le champ magnétique possède des variations temporelles à toutes échelles. En particulier des secousses magnétiques intéressant une partie ou tout le noyau sur des échelles de quelques années ont été observées. La mission Swarm de l'Esa, pour laquelle le CNES contribue aux magnétomètres absolus, a pour objectif de mesurer le champ magnétique dans la continuité.

Les autres moyens d'approfondir notre connaissance du noyau par les techniques spatiales sont plus indirects. La rotation de la Terre est affectée par la présence d'un noyau fluide, par la présence d'une graine solide en son centre et par la nature du couplage manteau/noyau. Le suivi de la rotation terrestre est un produit des mesures de positionnement (GPS, Doris, VLBI, bientôt Galiléo). L'amélioration des paramètres de la rotation terrestre demande des précisions de positionnement global de l'ordre du millimètre. C'est pourquoi il faut veiller à l'amélioration des systèmes de positionnement et la généralisation de la notion d'observatoire géodésique.

Enfin les mouvements dans le noyau liquide, ainsi que ceux de la graine solide au sein de celui-ci, induisent des variations du champ de gravité. Ces variations sont encore bien inférieures aux précisions que l'on peut espérer à court (Grace) ou moyen terme (projet Microméga). Elles sont pourtant comparables à celles que l'on peut atteindre dans certains projets de physique fondamentale (tests de relativité et d'équivalence), ce qui suggère une synergie possible.

Le manteau

Les 3 000 premiers kilomètres sous nos pieds constituent le manteau formé de silicates. Bien qu'à l'état solide, il est le siège de mouvements lents qui contrôlent la tectonique des plaques.

Dans les vingt dernières années, notre compréhension de la dynamique du manteau a énormément bénéficié de notre connaissance du champ de gravité terrestre, souvent représenté par son potentiel de gravité, le géoïde. En effet, le champ de gravité à grande longueur d'onde cartographie les variations de densité du manteau qui, elles-mêmes, sont le moteur de la convection. Des satellites tels que Champ (2000) ou Goce (2007) permettront d'améliorer nos modèles mais leurs apports principaux porteront sur la dynamique de la lithosphère.

Le champ de gravité possède aussi des variations temporelles. Ce sont celles-là que traque la mission Grace (2002-2007). Cette mission est en train de mettre (ou mettra...) en évidence essentiellement des variations sub-annuelles liées à des effets climatiques et hydriques (variations des contenus en eau), ou instantanées (déformations co-sismiques). Le champ de gravité possède aussi des variations temporelles séculaires. Certaines sont dues à des effets tectoniques (subsidence, déformations pré-sismiques), aux déformations induites par la dernière déglaciation (surrection de la Scandinavie et du Canada), à des effets climatiques actuels (fonte des glaciers, variations hydriques). Ces variations (10-³ mgal/an avec une résolution de 1 000 km) pourront être cartographiées lors d'une mission dédiée, plus longue que Grace, ou par une répétition de missions de type Goce. L'intérêt pour les études de la lithosphère ou de la sub-surface sera développé plus loin. Pour l'étude du manteau, les variations lentes de la gravité nous permettent de sonder les propriétés mécaniques du manteau (viscosité, élasticité, seuil de rupture, stratification).

Carte globale des anomalies de pesanteur (anomalies à l'air libre) calculées d'après le modèle global EGM08 (modèle issu de la combinaison de données gravimétriques spatiales et sol). Source BGI/CNES.

Les missions de mesure du champ magnétique, déjà évoquées, permettent aussi de sonder le manteau. Il s'agit là d'utiliser les variations d'origine externe de ce champ, pour sonder la conductivité électrique du manteau. Cela est à peu près le seul moyen de connaître les variations latérales et radiales de sa température. Compte tenu de la conductivité du manteau (0,1-1 S/m) et de la difficulté d'une onde électromagnétique à pénétrer un conducteur (effet de peau), des mesures en continu du champ magnétique sur plusieurs années seront nécessaires.

L'outil principal de la géophysique interne fut, et reste probablement la sismologie. Il est possible, là encore, que les techniques spatiales deviennent un partenaire incontournable. Parmi les ondes sismiques, certaines impliquent des mouvements verticaux du sol (ondes de Rayleigh), comparables à une houle.
Ces mouvements ont un équivalent océanique, les ondes de tsunamis. Le mouvement vertical du sol est transmis à l'atmosphère où, à cause de la diminution de la densité, l'amplitude de l'onde induite croit avec l'altitude. Cet ébranlement affecte l'ionosphère. Il y a ainsi la possibilité de cartographier un front d'onde sismique depuis l'espace. Si des observations très encourageantes ont été faites, le concept doit prouver son intérêt quantitatif pour l'étude de la Terre. Faire de la sismologie depuis l'espace semble une approche intéressante et originale à conduire dans un cadre prospectif.

La lithosphère

La lithosphère est la partie externe du manteau terrestre, d'une centaine de kilomètres d'épaisseur. Elle ne se distingue pas du manteau par ses propriétés chimiques mais par ses propriétés mécaniques (plus rigide) et thermiques (plus froide). Elle nous apparaît comme relativement indéformable, découpée en plaques, dont les frontières sont le lieu de séismes.

L'ensemble des techniques de positionnement (Doris, GPS, VLBI, SLR (Satellite Laser Ranging), Galiléo) est mis en jeu pour améliorer notre connaissance des mouvements et des déformations de la lithosphère. Ces mesures ont permis de confirmer les modèles de la tectonique des plaques. Il s'agit maintenant d'aller au-delà et de mesurer les déformations qui ne sont pas prises en compte par les modèles de tectonique des plaques : les déformations diffuses, lentes, pré ou post-sismiques. Les techniques de positionnement doivent viser le millimètre en précision latérale et améliorer la mesure de la composante verticale en deçà du centimètre.

Les mesures du champ de gravité sont aussi fondamentales pour comprendre les hétérogénéités de la lithosphère. Actuellement, certains modèles de gravité incluent des a priori estimés d'après la topographie, tandis que la bathymétrie océanique est elle-même calculée d'après la gravité (d'après les mesures altimétriques). Il y a donc un couplage artificiel entre modèles topographiques et de gravité qui rend délicat une étude globale. La mission Grace améliorera grandement la situation mais ne permettra pas de combler le fossé entre gravité de terrain et gravité mesurée par satellite. Il faudra pour cela améliorer la résolution des modèles de gravité jusqu'à la dizaine de kilomètres.

Le champ magnétique a aussi une composante crustale/lithosphérique qui porte la trace de la tectonique, des événements thermiques et de la composition de la lithosphère. Les modèles actuels sont extrêmement médiocres. La modélisation du champ magnétique lithosphérique à une résolution de quelques 100 kilomètres est nécessaire et bénéficiera de la mission Swarm.

L'étude conjointe de la variabilité électromagnétique permet, comme pour le manteau, de remonter à la conductivité de la lithosphère, liée à la présence de fluides et à la température. Des variations électromagnétiques d'origine inconnues ont été plusieurs fois observées, et certaines ont paru être des précurseurs de séismes. C'est ce type de phénomènes que recherche la mission Demeter (2004).

La sub-surface

Ce domaine regroupe la géologie plus classique, les interactions entre l'homme, le climat et le sol (recoupant certains aspects couverts par le groupe Surfaces continentales), ainsi que la surveillance de risques naturels (volcanologie, glissements de terrain). Ces aspects ont donc une forte composante GMES, mais ne peuvent se réduire à cette unique composante car un effort de recherche sur les aléas géophysiques est essentiel (voir figure ci-dessous).

La donnée de base de tout travail géologique est la connaissance de la topographie. Or celle-ci est mal connue. Il y a un fort potentiel scientifique et d'applications sociétales dans le développement de modèles numériques de terrain (voir le succès de la mission SRTM, Space Radar Topography Mission).

Grâce à l'interférométrie SAR, les sismologues peuvent étudier les déformations du sol induites par les tremblements de terre. Les franges colorées suivent les lignes d'égales déformations. © CNRS Montpellier

La bathymétrie, souvent estimée à partir des observations altimétriques, peut être significativement améliorée en précision comme en résolution. Le manque de données altimétriques en domaine côtier pénalise aussi grandement la continuité des modèles globaux de gravité. Des missions spatiales sont actuellement à l'étude pour remédier à ce manque.

Les différentes techniques d'observations de la Terre (optique, radar, multi-spectrale) restent, bien sûr, des outils fondamentaux des sciences de la Terre. Mais, au-delà des observations statiques, ce sont les observations de changements qui sont maintenant fondamentales. En particulier, le suivi les déformations en continu (aussi bien post-sismiques, que liées à des glissements de terrain, au risque volcanologique ou encore à des travaux publics) par radar basse fréquence a ouvert de nouvelles perspectives aux sciences de la Terre. La continuité de ces données dans le futur n'est pas totalement assurée.

La mission Grace doit nous permettre de mettre en évidence des variations de la gravité liées à des changements de distribution des masses proches de la surface (changement du contenu en eau, en glace, déformations tectoniques, etc.). C'est une toute nouvelle façon d'utiliser les données gravimétriques. En utilisant les résultats de Grace, nous devons déjà nous projeter dans le futur pour concevoir les missions qui permettront d'augmenter la résolution temporelle et spatiale ainsi que la continuité de ce type de mesure.