De la géodésie à la géodésie spatiale
Pourquoi les Journées Luxembourgeoises de Géodynamique

Par M. Lefebvre et F. Barlier

Avant-propos

Il n’est pas de jour où l’on ne chante partout les vertus du dialogue nécessaire. Cette insistance à promouvoir le dialogue pourrait plutôt montrer soit qu’il ne soit pas encore commencé soit qu’il soit devenu une mode plus qu’une réalité. En effet, à beaucoup de niveaux, on se propose d’ORGANISER le dialogue et plus spécialement au niveau européen. En fait, le dialogue doit d’abord se développer à la base et c’est peut-être là qu’il pourrait être le plus productif, pour peu qu’il y ait seulement quelques structures légères et flexibles qui sachent faire confiance à un petit groupe au bon moment. La note ci-jointe veut simplement faire connaître une telle expérience où de vraies rencontres et échanges initialisés par des chercheurs de base ont pu avoir lieu grâce à leur volonté et grâce à la bienveillance discrète et efficace des autorités luxembourgeoises et à un soutien du Conseil de l’Europe. Dans le cas présent, c’est bien cette approche volontariste qui a prévalu avec l’aide amicale de nos collègues de Walferdange et c’est bien cette approche que nous voulons présenter. Ceux d’entre nous qui se souviennent des déplacements quasi-mensuels en train 2éme classe, billet collectif de Paris à Luxembourg peuvent en témoigner. Cet aspect humain se devait d’être rappelé en préambule car les structurations nécessaires ont tendance à les oublier. On s’apercevra peut-être plus tard qu’un des apports principaux de l’ère spatiale a été de faire prendre conscience de la nécessité de “ passer les frontières ”, comme le font les satellites artificiels de notre
Terre à tous. Relisons donc cette expérience de “ passe frontières ” 

      

De la Géodésie à la Géodésie Spatiale 

Les Journées Luxembourgeoises de Géodynamique (JLG) furent fondées à la fin des années soixante par un groupe de chercheurs et d’amis bien déterminés à faire changer les choses dans le domaine de la Géodynamique. Les Techniques Spatiales étaient naissantes et l occasion de les utiliser ne pouvait être manquée. Ce n’est pas un hasard si les Journées furent organisées au Luxembourg. Il y avait un Laboratoire de Géodynamique à Walferdange. qui se développait dans le cadre d’une coopération entre le Luxembourg et la Belgique animée d’une part par P. Melchior de l’observatoire Royal de Belgique et d’autre part par J. Flick, responsable luxembourgeois de ce Laboratoire. Il y avait aussi coté français un groupe de l’observatoire de Paris, notamment F. Barlier et K. Lambeck (Visiteur à l’observatoire) et un groupe du Centre National d’Etudes Spatiales, en premier lieu M. Lefebvre. Chacun était soucieux de valoriser et de développer les nouvelles Techniques Spatiales dans le domaine de la Géodésie et de la Géodynamique. Le Luxembourg était un point d’accès facile pour tous. Il devint un coin rêvé pour tous. 

Beaucoup de personnalités se joignirent rapidement au petit groupe initial et finalement de proche en proche, c’est un grand nombre de scientifiques de différents pays qui vinrent participer à ces Journées et les animer. 

Ces Journées voulaient être une façon nouvelle de présenter et d’étudier ensemble des sujets, notamment ceux pour lesquels les Techniques Spatiales devaient apporter des informations non seulement originales mais décisives pour progresser sur de nombreux sujets à caractère géophysiques ou géodynamiques.  Il fallait aussi pouvoir prendre tout le temps nécessaire à chaque présentation, avec interruption possible des auditeurs, dans une ambiance amicale et sereine. Ce furent les Journées Luxembourgeoises de Géodynamique à Walferdange. 

Pour bien comprendre le rôle et la place exacte des JLG dans le contexte de la Géodésie Spatiale, il est nécessaire de faire un peu d’histoire et de resituer la phase de transition qui venait de se produire entre la Géodésie classique et la nouvelle Géodésie appelée Spatiale par suite des technologies utilisées.

Dès le lancement du premier satellite artificiel par l’URSS le 4 octobre 1957, le monde scientifique comme le monde industriel sentit bien que l’on allait vivre une période nouvelle et exceptionnelle dans le domaine de la science et de la technologie ;elle serait passionnante et pleine d’aventures et ce serait différent. Aussi, dès le début, pour entrer dans la nouvelle aventure, de nombreux instituts de différents pays mirent au point de leur propre initiative des moyens de prédire les passages des satellites afin de pouvoir les observer dans le ciel nocturne et d’en déterminer les positions. Il fallait aussi satisfaire une curiosité extraordinaire du Grand Public surpris et ébahi par l’exploit technologique et ensuite les utiliser dès que possible à des fins scientifiques. Les astronomes et les mécaniciens célestes furent les mieux placés pour assurer ces toutes premières observations.

Les théories du mouvement du satellite artificiel furent développées par les techniques en usage en mécanique céleste. On développa aussi les calculs proprement dits de trajectoire à partir des observations des satellites dans le ciel. On utilisa les techniques habituelles pour le calcul des mouvements des corps du système solaire, planètes, astéroïdes, satellites naturels.Vue la quantité de calculs à effectuer quotidiennement l’apport des calculateurs électroniques fut décisif pour la suite. Ceci explique pourquoi et comment l’astrométrie, la mécanique celeste ainsi que l’informatique se trouvèrent au cœur de cette aventure dès son commencement. Comme la question d’une échelle de temps précise et unifiée était aussi un point essentiel, toutes les personnes en charge de ces différents problèmes dans les observatoires astronomiques sentirent rapidement, le besoin de se retrouver tous ensemble, un jour au Luxembourg pour ce qui concerne les Scientifiques du monde occidental. Par la suite des personnes de tous horizons vinrent se joindre au groupe initial. Il n’est malheureusement pas possible de donner ici la longue liste des animateurs et des participants très actifs à ces Journées et nous nous en excusons beaucoup auprès d’eux. Ils venaient en premier lieu de toute l’Europe. 

Pour approfondir le rôle des JLG on doit maintenant aller de l’astronomie à la géodésie.  Pour les géodésiens qui étaient jusque-là obligés d’arpenter la Terre, pas à pas, de montagne en montagne, ou de clocher en clocher, l’arrivée des Techniques Spatiales fut l’occasion inespérée de pouvoir franchir les océans avec un seul triangle, le satellite artificiel pouvant jouer le rôle d’un clocher extrêmement élevé en tant que repère géodésique. Bien plus le satellite artificiel apparaissait comme un détecteur des forces en présence dans le milieu spatial. Parmi ces forces intervenaient en premier lieu les forces gravitationnelles et tout d’abord celles d’origine terrestre. Or comme on le sait, l’équation fondamentale de la dynamique relie la forme des trajectoires des corps et les forces qui agissent sur ces corps. Donc inversement l’observation et la détermination de la forme de ces trajectoires vont donner accès à la connaissance et à la mesure de ces forces. La trajectoire du satellite apparaissait ainsi de manière un peu imagée, comme un instrument de mesure capable de permettre la connaissance de la valeur du champ de gravité terrestre partout et pas seulement localement comme on le fait avec un gravimètre. Ainsi le satellite artificiel allait donner deux mesures fondamentales pour la géodésie : la forme géométrique de la Terre et la valeur de son champ de gravité à l’échelle planétaire. Il faut cependant faire immédiatement une remarque très importante. L’information obtenue par le satellite est donnée à une altitude relativement élevée, celle à laquelle orbitent les satellites. Par nature, elle représente un effet moyen sur une certaine étendue spatiale. En termes plus techniques, le satellite artificiel va donner d’abord accès aux grandes longueurs d’onde du champ de gravité lorsqu’on le représente sous forme d’un développement en harmoniques sphériques. De manière inverse, les gravimètres vont donner des mesures très localisées donc vont permettre la détermination des courtes longueurs d’onde du développement en harmoniques sphériques du champ de gravité. Il va donc y avoir une complémentarité essentielle entre mesures par satellites et mesures au sol. Il y avait là une raison nouvelle de réunir au Luxembourg ces deux communautés celle représentée par le Laboratoire de Walferdange et celle représentée par les Techniques de l’Espace. 

Parmi les tout premiers résultats obtenus avec les satellites, on doit d’abord citer l’aplatissement géodynamique de la Terre (noté J2 ou encore C20 dans les développements du potentiel terrestre en harmoniques sphériques). Il est dû à la rotation de la Terre sur elle-même. Il fut déterminé simultanément par plusieurs auteurs dans différents pays ainsi que la forme asymétrique de la Terre entre le pôle Nord et le pôle Sud. Outre, sa forme ellipsoïdale –21 km de différence entre le rayon polaire et équatorial le géoïde terrestre bien représenté par le niveau moyen des mers au mètre près là où il y a des océans, a la forme d’une poire aplatie au pôle Sud. Toutefois cette asymétrie est comparativement beaucoup plus petite, de l’ordre de la dizaine de mètres, soit un facteur de 1000 par rapport à l’aplatissement terrestre. La Géodésie Spatiale est entrée de plain-pied et immédiatement dans le domaine de la Géodynamique. 

En parallèle à ces premiers résultats les géodésiens commencèrent de manière pratique à étendre leurs techniques d’arpentage depuis le sol vers l’Espace. Ils utilisèrent notamment des satellites très brillants et très gros comme les satellites ÉCHOS  qui pouvaient êtres observés avec des petites chambres photographiques très facilement transportables et très adaptées à des opérations de terrain. On put alors faire des rattachements géodésiques à l’échelle de plusieurs milliers de kilomètres avec une précision de l’ordre de la dizaine de mètres. On était cependant encore loin de détecter les mouvements des plaques tectoniques, ce qui n’encouragea pas certains géophysiciens à s’intéresser dès le début aux Techniques Spatiales. Aussi en dépit des premiers résultats et des premiers modèles de champ de gravité, il apparut qu’il fallait  se donner les moyens de faire bien mieux du point de vue de la précision. Pour cela il fallait améliorer tant la qualité et la quantité des mesures que la sophistication des modèles et la manière de les ajuster aux observations. L’exemple de ce qu’il fallait faire fut donné par nos collègues américains du Smithsonian Astrophysical Observatory (Cambridge, Mass) Ils développèrent un réseau de caméras photographiques tout autour de la Terre: le réseau Baker-Nunn, de haute précision relative (environ 2 secondes de degré) ; puis ils calculèrent un modèle de Terre pour servir de référence, la Standard Earth, en ajustant à la fois les coordonnées de stations et les coefficients représentatifs du potentiel terrestre. Bien plus, il leur apparut rapidement qu’il y avait tout intérêt à combiner les mesures du champ faites par satellite avec les mesures de gravimétrie faites au niveau du sol, seul moyen d’atteindre une meilleure résolution spatiale. C’est la Standard Earth II publié dans le Journal of Geophysical Resarch par Gaposchkin et Lambeck en 1971 (the earth’s gravity field to sixteenth degree and station coordinates from satellite and terrestrial data, vol.96, pp4855-4883).Ces deux collègues eurent l’occasion d’assister à des JLG. Pour les références bibliographiques de la première époque de la Géodésie Spatiale, on pourra se rapporter à un article de revue publié par Kovalevsky et Barlier dans la revue belge, Ciel et Terre, vol. 87, N0 1, 1971, Géodésie par Satellite, pp 1-60.

Il faut maintenant souligner l’effort et les progrès réalisés dans la métrologie de la poursuite des satellites artificiels par d’autres méthodes que celles qui sont photographiques, en dépit de leur succès dans d’autres pays du monde comme l’URSS (Caméra AFU 75) ou en Europe (Caméra Antares à l’observatoire de Nice, caméra Hewitt à l’observatoire de Malvern, ou caméra Zeiss en Allemagne de l’Est). En effet, les résultats obtenus par la télémétrie LASER depuis 1964 étaient plus qu’encourageants ; ils devenaient prometteurs au point de prétendre pouvoir devenir une des techniques de base de la Géodésie Spatiale et c’est ce qui se produira au cours de la décennie suivante. Comme on le sait en technologie laser, on mesure le temps mis par une impulsion lumineuse infiniment brève pour faire l’aller-retour entre la Terre et un satellite munis de rétroréflecteurs. De même, les techniques radioélectriques fondées sur la mesure d’un effet DOPPLER ne cessaient de progresser, notamment avec le système américain de navigation TRANSIT, sans oublier les expériences DIADEME en France. Les progrès réalisés dans toutes les technologies Temps et Fréquences  furent décisifs d’autant que ces techniques sont facilement utilisables de jour comme de nuit et quelle que soit la météorologie. On sait aujourd'hui l’immense succès que connaissent ces techniques avec le GPS développé aux USA (Global Positionning System), avec DORIS développé en France, PRARE développé en Allemagne, GLONASS développé en Russie et demain GNSS-GALILEO en Europe. Il ne faut cependant pas croire que tout s’est fait en un instant, sans discussions, sans échecs (Voir l’abandon des projets de géodésie spatiale comme GEOLE ou POPSAT) Mais dans toute cette époque des années 70, il a été essentiel d’avoir un lieu de discussions et de concertations et c’est bien dans le cadre des JLG qu’elles ont pu avoir lieu, principalement pour les européens au Luxembourg. Elles ont permis de préparer un atelier pour définir un ambitieux programme européen, SONG (Space Oceanography, Navigation and Geodynamics, Schloss Elmau, Germany, 16-21 January 1978-ESA SP-137)

Les conséquences de ces progrès ne s’est pas fait attendre : au lieu de parler d’une précision de quelques mètres dans la détermination des positions des stations, on a commencé à parler d’une précision de quelques décimètres, en ayant bien en pensée qu’il ne fallait pas exclure dans un avenir assez proche une précision de quelques centimètres et pourquoi pas même un peu mieux. C’est ce qui arrivera à la fin des années 90. Mais alors de nouveaux phénomènes doivent être pris en compte, en premier lieu les marées terrestres et les phénomènes locaux de charge atmosphérique et océanique. Ceci nous ramène à la nécessité absolue de maîtriser les effets géodynamiques locaux avec la précision la plus extrème aujourd’hui, du niveau de quelques millimètres. Ceci nous ramène encore au rapprochement très fructueux des laboratoires “ sol ” de Géodynamique et des laboratoires spatiaux de Géodésie. Toutefois ce n’est pas encore la seule raison de ce rapprochement car il y encore quelque chose de plus profond qu’il faut mettre en lumière. 

La Géodésie Spatiale ainsi présentée pourrait  en effet apparaître comme une application certes très utile mais néanmoins une simple application des Techniques Spatiales par exemple pour la cartographie,pour la navigation par satellite si en vogue aujourd’hui, ou pour tout autre application scientifique qui a besoin d’orbitographie précise comme l’océanographie spatiale ou la mise en place d’un polyèdre de stations à la surface de la Terre.
Cependant, il faut maintenant franchir un pas de plus dans une approche beaucoup plus globale de la Terre. En effet, la Terre est une planète encore très imparfaitement connue et comprise. Cette vérité, pour évidente, qu’elle puisse paraître aujourd’hui n’en a pas moins été oubliée au départ dans les programmes et dans la manière dont ils étaient justifiés.  .En effet, la Terre apparaissait soit comme bien connue, soit comme bien connaissable par les mesures et les informations recueillies au niveau du sol. Au contraire, pour Venus, Mars, ou d’autres planètes, les Techniques Spatiales apparaissaient bien clairement et bien évidemment irremplaçables. C’était une erreur pour la Terre. Pourtant dès 1969, à Williamstown, Mass aux USA, un groupe de travail de la NASA, présidé par W.Kaula (Il participera à une JLG) proposait déjà la Terre comme corps céleste à connaître dans sa globalité nécessairement par les Techniques Spatiales. Les Techniques Sol, fussent-elles utilisées de manière intensive et extensive, ne pouvaient répondre aux questions de manière suffisamment précise (à titre d’exemples : variations des transports de masse atmosphérique ou hydriques, variations des flux de chaleur transportés par les océans, variations du niveau des mers en fonction des saisons et des latitudes, …). 
Inversement, il devait être clair que certaines mesures faites au niveau du sol étaient irremplaçables en raison de la spécificité de leur information et de leur résolution temporelle (à titre d’exemples : mesures de gravimétrie, mesures de sismologie, sondages atmosphériques et océanographiques). . 

C’est bien conscient de ces problèmes et pour toutes ces raisons que des groupes de scientifiques décidèrent de se réunir pendant tant d’années au Luxembourg à Walferdange : hommes de laboratoire souterrain ou de surface,hommes des techniques spatiales. Il fallait aussi que se rencontrent des théoriciens de la Géodynamique, des Marées Terrestres, de la Mécanique Céleste, de la Rotation de la Terre, de la Sismologie, de la Volcanologie et plus généralement des Sciences de la Terre dans leur ensemble. L’identité profonde de l’action gravitationelle créée par la Lune et le Soleil sur le mouvement de l‘axe de rotation de la Terre dans l’espace et sur le phénomène de  marées terrestres est un bel exemple donné par P.Melchior de l’échange fructueux qui doit se faire entre des communautés qui au premier abord  pourraient apparaître comme indépendantes. Pour illustrer les progrès accomplis, nous donnons  d’une part le tableau des précisions de différents instruments de métrologie utilisés en Géodésie Spatiale : systèmes de poursuite des satellites pas LASER ou par mesure d’effet DOPPLER, système d’altimétrie RADAR au-dessus des océans pour en déterminer la topograhie, mesure des forces non-gravitationelles agissant sur un satellite grâce à un accéléromètre à bord du satellite, précision relative des horloges (document du CNES à Toulouse). D’autre part nous donnons une figure du mouvement du pôle sur la croûte terrestre, déterminé historiquement par les techniques astrométriques au début des années 70, puis déterminé par les méthodes de Géodésie Spatiale 20 ans plus tard. La suppression des effets erratiques dans le premier cas est très illustrative des progrès accomplis. Ce document a été publié par le Service International de la Rotation Terrestre à l’observatoire de Paris en 1990.  

Figure 1

CONCLUSION

Les JLG se sont tenus et se tiennent encore régulièrement. Certes l’auditoire et les sujets abordés ont utilement évolué au cours du temps et des 30 années d’existence. Mais on peut dire que les JLG, ont été un creuset pour beaucoup d’européens mais pas seulement pour eux, afin de réfléchir et de développer des programmes de Géodésie et Géodynamique Spatiales.Ils permettent aujourd’hui une approche de la connaissance de la planète Terre qui soit à une échelle planétaire ; L’aventure n’est pas finie, elle ne fait que commencer.