ACCÉLÉROMÈTRES SPATIAUX

Goce : un satellite à l'écoute des séismes

Le sondage de la haute atmosphère par les ondes radio a permis de démontrer, depuis les années 1960, que les ondes sismiques générées au sol se propagent jusqu'à 300 kilomètres d'altitude. Goce, satellite de l'E.S.A., destiné à la mesure du champ de gravité terrestre, vient de faire la première mesure in situ de ces ondes. Il

représente un saut technologique par rapport aux précédentes missions gravimétriques. Tout d'abord, il est le premier à avoir une orbite aussi basse pour une durée de mission aussi longue. Ensuite, il est équipé d'un système unique qui compense en continu le freinage dû à la haute atmosphère par la poussée du moteur. Ces caractéristiques font de Goce un objet volant qui tient à la fois du satellite et de l'avion. Enfin, l'instrument principal est un gradiomètre qui mesure en six points à l'intérieur du satellite les accélérations ressenties par celui-ci avec une très grande précision. Cet instrument permet d'avoir les gradients du champ de gravité le long de l'orbite, lesquels sont analysés pour obtenir des cartes du champ de gravité terrestre avec une précision inégalée.

La mission Goce vient de démontrer que l'on peut détecter les mouvements du sol à la frontière entre l'atmosphère et l'espace. En effet, comme le gradiomètre permet de mesurer les accélérations ressenties par le satellite, il est sensible aux variations de densité de l'air ainsi qu'aux déplacements des couches atmosphériques qui exercent une pression sur le satellite.

Ces variations de densité et ces vents atmosphériques peuvent être produits par les ondes sonores de très basse fréquence (~10 mHz) qui sont générées par le déplacement du sol sous l'effet des ondes sismiques. En effet, lors de la propagation des ondes sismiques au sol, une onde sonore est générée par la surface de la Terre comme le fait une peau de tambour. Ces ondes sont l'équivalent atmosphérique des ondes sismiques. Elles se propagent verticalement et sont amplifiées car l'énergie cinétique de l'onde est conservée, alors que la densité atmosphérique décroît avec l'altitude. Ainsi, à basse fréquence, des déplacements millimétriques au sol engendrent des déplacements de l'ordre de la centaine de mètres à l'altitude du satellite Goce. Lorsque celui-ci est pris dans l'onde sonore, il enregistre les accélérations dues aux « trous d'airs » et aux « vents » générés par l'onde.

Un seul séisme de magnitude 9, à Tōhoku au Japon en mars 2011, a pu être détecté par le satellite Goce. Nos simulations montrent que d'autres séismes de fortes magnitudes (supérieure à 8) auraient pu être détectés. Cependant, des problèmes techniques sur le satellite ont empêché d'avoir des données durant un des séismes, et bien souvent la géométrie d'observation n'était pas bonne à cause de croisements ondes/satellite dans les régions polaires, lesquelles sont fortement bruitées par la dynamique de la haute atmosphère.

Les enregistrements dans la haute atmosphère des ondes sonores émises par les séismes contiennent des informations sur les variations de vitesse sismique dans la partie solide, mais sont également influencés par les variations de la vitesse du son, de la conductivité thermique et de la viscosité de l'atmosphère. Comme seuls les mouvements lents du sol peuvent traverser l'atmosphère, un sismomètre au sol est bien plus performant. Toutefois, de tels capteurs sont utiles dans des régions non couvertes par les instruments au sol comme les régions océaniques ou les planètes telluriques à atmosphère dense, par exemple Vénus. Cet instrument permet également de détecter d'autres ondes atmosphériques, dites de gravité, qui sont générées par la dynamique de l'atmosphère.[...]