Comprendre la Terre Solide
Source : Rapport CNES SPS 2024
Basée sur des sciences fondamentales, la thématique « Terre solide » a pour objectif l’étude de notre planète, i.e. sa formation et son évolution, sa composition, sa dynamique interne et les couplages avec les enveloppes externes que sont l’atmosphère, les océans, la cryosphère et l’hydrosphère. Parallèlement à ces enjeux scientifiques, elle relève des défis sociétaux majeurs : le suivi du changement climatique (niveau des mers, fonte des glaces), les besoins et la transition énergétiques (hydrocarbures, géothermie), les ressources en eau et en minerais (construction, batterie, high-tech), et les risques naturels (instabilité gravitaire, séisme, tsunami, volcan).
Dans ce contexte, les observations spatiales sont incontournables. Leur caractère global, homogène et de précision continuellement accrue, permet de compléter les mesures au sol. De plus, elles fournissent un suivi temporel continu et fréquent du système Terre avec, pour certaines, des archives couvrant plusieurs décennies. À titre d’exemple, on peut mentionner :
- les observations géodésiques qui permettent d’étudier les variations de rotation de la Terre et de fournir un référentiel mondial,
- les missions magnétiques et gravimétriques qui contribuent à caractériser la composition et la forme de notre planète, éléments clés pour étudier sa dynamique,
- les mesures altimétriques qui fournissent des informations sur les reliefs terrestres, les glaciers et le niveau des océans,
- les données d’imagerie qui permettent de mesurer les mouvements associés aux aléas naturels et aux transferts de masse.
Couvrant des échelles spatiales et temporelles complémentaires, les mesures au sol, les acquisitions drones, bateaux et aéroportées, et les observations spatiales sont analysées conjointement. Seule une telle démarche, couplée à une approche combinant différents types de données, permet de compenser la difficulté liée à l’absence d’observation directe de l’intérieur de la Terre. L’analyse et l’interprétation de ces jeux de données complexes et hétérogènes nécessitent des développements numériques et des moyens de calcul conséquents. La communauté est fortement impliquée dans ces développements avec le soutien du Cnes via le pôle ForM@Ter de l’infrastructure de recherche Data Terra, les appels à projets et les financements de thèses et postdocs.
Les enjeux scientifiques et observations possibles depuis l’espace
Amélioration du référencement géodésique
Objectifs
Pour décrire et modéliser le fonctionnement de notre planète, il est indispensable de définir un repère de référence terrestre. Ce repère se base sur des points concrets (marqueurs) attachés à la croûte terrestre solide dont les coordonnées sont déterminées avec précision (positions moyennes en 3D des stations et de leurs mouvements). Les campagnes de réanalyse des mesures de géodésie spatiale ont mobilisé des dizaines d’équipes dans le monde et ont abouti à l’ITRF2020 (International Terrestrial Reference Frame, 2020 realization), qui est la réalisation la plus performante à ce jour en termes de couverture, de densité, de précision et de stabilité. L’accès à ce standard international est essentiel pour de nombreuses missions d’observation de la Terre (par exemple altimétrie spatiale), de géo-positionnement (par exemple GPS ou Galileo) ou encore toutes les applications nécessitant un géoréférencement précis (par exemple les SIG).ositionnement millimétriqueType de mesure
Observables
Positionnement millimétrique
Type de mesure
DORIS, GNSS, VLBI et SLR
Vitesses horizontales et verticales des sites de référence
Missions contributrices
Les missions embarquant les récepteurs DORIS, les missions géodésiques de télémétrie laser, les satellites GNSS.
La technique VLBI se base sur l’observation de quasars et non de satellites.
Mieux comprendre la dynamique interne de notre planète
Objectifs
Les défis scientifiques sont nombreux et concernent l’imagerie à haute résolution spatiale, la capacité à
séparer les différentes sources magnétiques, géodésiques et gravimétriques (superficielles et profondes, externes et internes), la mise en œuvre de méthodes pour interpréter conjointement des observations variées. L’absence de mesure directe de l’intérieur de notre planète implique que de nombreuses questions de premier ordre sur sa dynamique interne demeurent ouvertes : quelle est la structure thermique et compositionnelle de la Terre ? Quelles sont les interactions entre les couches solides de la Terre et son noyau fluide ? Quelle est la dynamique du noyau externe à courte échelle de temps ? La dynamique du noyau peut-elle affecter le climat ? Quelle est la viscosité de la couche à la limite noyau-manteau ? Quelle est la nature de la convection mantellique ? Quels sont les couplages entre les plaques plongeantes et le manteau ?
La plupart des sources magnétiques ne peuvent être mises en évidence que par une accumulation
de données sur un temps long (correspondant au moins au cycle solaire) et parfois à des altitudes et des échelles variées afin d’amplifier le rapport signal sur bruit des structures et de les séparer des signaux transitoires.
En gravimétrie, il est indispensable d’acquérir des observations permettant de distinguer les signaux court-terme (hydrologie, séisme) et long-terme (structure) à différentes altitudes. Atteindre ces objectifs requiert des observations spatiales pérennes sur plusieurs décennies et des mesures au sol, par drone et embarquées (bateau, avion, ballons).
Observables
Champ magnétique
Champ gravimétrique
Type de mesure
Magnétomètre scalaire et vectoriel
Perturbation orbitale
Gradiomètre
Missions contributrices
SWARM
GRACE-FO, missions géodésiques de télémétrie laser, GOCE
Amélioration du suivi et de la compréhension des événements extrêmes
Objectifs
Mieux estimer les aléas naturels liés aux événements extrêmes (séismes, tsunamis, éruptions volcaniques, instabilités gravitaires) reste un défi scientifique majeur pour la communauté « Terre solide ». L’enjeu sociétal est évident, et malgré d’intenses recherches menées depuis plusieurs décennies, de nombreuses questions demeurent ouvertes : Quels sont les processus menant à la rupture sismique ou au glissement gravitaire ? Quelle est l’influence des déformations asismiques et transitoires sur l’état de contrainte des zones de faiblesses ? Quelles sont les interactions entre glissements lents le long des failles et séismes ? Comment améliorer le suivi temporel haute fréquence des éruptions volcaniques ? Quels sont les mécanismes physiques permettant le suivi des tsunamis depuis l’espace ?
Pour l’ensemble des aléas, le principal défi consiste en la détection de signaux précurseurs ou initiateurs, par nature peu fréquents et de faible amplitude, souvent mélangés à des signaux pouvant être associés à des perturbations de surface, naturelles ou anthropiques. Du point de vue des observations spatiales, cela implique des temps de revisite fréquents, et l’acquisition de séries temporelles longues et précises permettant de discriminer l’origine des signaux
Observables
Champ magnétique
Champ gravimétrique
Suivi de la surface des terres émergées
Type de mesure
Combinaison des observations acquises à différentes altitudes (sol, aéroportée, spatiale) et de nature variée (sismologique, géodésique, thermique, gravimétrique, ionosphérique).
Missions contributrices
SENTINEL-1
SENTINEL-2
PLEIADE
GRACE-FO
GNSS
SWARM
Vers une vision intégrée des interactions entre Terre interne et enveloppes externes
Objectifs
L’étude des interactions Terre interne – enveloppes externes constitue une thématique pluridisciplinaire émergente. Les recherches associées concernent entre autres, les rétroactions entre l’ajustement isostatique et la fonte récente des calottes glaciaires, les transferts de masse à la surface de la Terre et l’occurrence des séismes, la déformation crustale produite par des variations du niveau des nappes phréatiques, les effets du volcanisme sur la chimie atmosphérique et le bilan radiatif, ou les interactions entre les champs magnétiques d’origine interne et externe et leur effet sur l’atmosphère et le monde vivant.
Observables
Potentiellement toutes
Type de mesure
Potentiellement toutes
Missions contributrices
Potentiellement toutes
Approfondir le sujet
Sources et références
| Description du contenu | Lien |
|---|---|
| Le repère de référence terrestre | Terrestrial Reference Frame (ggos.org) |
| Les techniques de géodésie spatiale | Geodetic Observations – GGOS |
| Mission SWARM de mesure du champ magnétique | IPGP Geomagnetisme Lab Webpage |
| Mission GRACE de mesure du champ de gravité | GRACE-FO: from range observations to global mass change : GRACE Tellus (nasa.gov) |
| Mission SENTINEL-1 de mesure des déformations du sol | Monitoring Changing Land With Sentinel-1 (youtube.com) |
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