PROGRAMME IFRTP : GPS PERMANENT EN TERRE ADELIE












Résumé

Le comportement de la calotte glaciaire antarctique est un sujet d'étude de première importance. Les implications sont multiples, en particulier pour la prévision de l'évolution du niveau des mers. Grâce au techniques modernes de la géodésie satellitaire, le Global Positioning System (GPS), il est maintenant possible de mesurer la déformation de la croute terrestre avec une précision de l'ordre du millimètre. Toute variation dans la masse de la calotte glaciaire devrait induire des mouvements crustaux détectables par des mesures GPS continues provenant d'un réseau de récepteurs permanents en Antarctique.

Il y a très peu de stations GPS permanentes en Antarctique à l'heure actuelle. Nous proposons de combler cette lacune par l'installation d'un récepteur permanent, fournissant des données continues, à la base française de Dumont d'Urville. Un point géodésique en Terre Adélie s'insère parfaitement dans le réseau existant sur le continent. Le peu de logistique nécessaire sera facilement fourni par la base.

Enfin, une station GPS permanente à Dumont d'Urville peut être valorisée par de nombreuses applications parfois transdisciplinaires telles que l'étude du niveau des mers par la co-localisation avec le marégraphe, la comparaison avec le système DORIS, la mesure de la quantité de vapeur atmosphérique et la prévision météorologique, le positionnement cinématique différentiel de véhicules et navires, les mesures géodesiques régionales, la surveillance de l'ionosphère, etc...


PROGRAMME PLURIANNUEL DE RECHERCHE



Objectifs et interêts scientifiques


L'état de l'art du GPS en Antarctique

Le continent Antarctique est l'une des régions du monde où les techniques de géodésie spatiale sont les plus prometteuses pour la compréhension d'une grande variété de phénomènes géophysiques. En effet, la présence de stations GPS sur le continent permet de mieux contraindre la tectonique des plaques dans l'hémisphere Sud, d'améliorer les modèles de déplacement des pôles de rotation de la Terre, et de mesurer d'éventuels changements de masse de la calotte glaciaire à partir du déplacement de ces stations. Un certain nombre de sites accueillent régulièrement des récepteurs GPS pour des campagnes annuelles de mesures en Antarctique : les campagnes SCAR (Scientific Commitee for Antarctic Research). Cependant, jusqu'à début 1994, il n'y avait qu'un seul récepteur installé de manière permanente en Antarctique, sur le site australien de Mac Murdo. Depuis Avril 1994, deux récepteurs permanents fournissent des données continues aux sites, toujours australiens, de Casey et Davis. Un quatrième récepteur a été mis en place sur le site de O'Higgins et a fourni des données de façon continue entre mai 1995 et juin 1996, malheureusement interrompues depuis.

Figure 1: Carte des sites GPS en Antarctique. Les sites permanents sont représentés en noir.

Le rebond "post-glaciaire" en Antarctique

La croûte terrestre est sensible à la variation dans le temps des charges qui portent sur elle en surface. En effet, une masse posée à la surface est supportée par deux effets physiques qui s'opposent à son enfoncement. En premier lieu, la rigidité élastique de la lithosphère qui s'oppose à la flexion nécessaire à l'enfoncement. En second lieu, la force d'Archimède créée par le manteau terrestre en dessous de la lithosphère qui soutient celle-ci. L'importance du premier effet est lié à l'épaisseur de la lithosphere, alors que l'importance et la constante de temps du second sont liées à la viscosité du manteau sous-jascent. Dans le cas de l'Antarctique, une diminution éventuelle de la masse de la calotte glaciaire aurait donc pour conséquence une remontée et un étalement divergent de la croûte qui la supporte dus à la conjonction des effets élastiques et visqueux. Les vitesses en surface auxquelles on peut s'attendre dépendent énormement du modèle de déglaciation, et devraient être typiquement de l'ordre de 0 à 10 mm/an. A contrario, la mesure précise de telles vitesses devraient permettre d'avoir accès à des quantités géophysiques de première importance telles que la viscosité du manteau terrestre, l'épaisseur élastique de la lithosphère, la variation spatio-temporelle de la masse de la calotte polaire, et par déduction, une indication de l'évolution future du niveau des mers.

Pourquoi des stations GPS permanentes ?

La précision des mesures de positionnement GPS est telle que l'on peut mesurer des vitesses à la surface de la Terre de l'ordre de quelques mm/an en quelques années. En théorie il suffit pour cela d'occuper les mêmes sites à quelques années d'intervalle, et de mesurer les déplacements des points les uns par rapport aux autres. En pratique il en va autrement, et particulièrement en Antarctique. En effet, les mesures GPS sont affectées aussi bien par les conditions de propagation des ondes électromagnétiques dans les couches basses de l'atmosphère, par la qualité des orbites des satellites GPS, par les caractéristiques des différentes antennes utilisées, ou encore par la stabilité des bornes géodésiques. Lorsque l'on dispose de mesures discontinues dans le temps (typiquement une fois par an), rien ne permet de distinguer les erreurs dues aux variations météorologiques saisonnières, ou les erreurs dues aux différentes antennes utilisées aus différentes époques, du vrai signal tectonique.

Des stations GPS permanentes fournissent des données en continu, 24 heures par jour et 365 jours par an. L'avantage essentiel de mesures en continu par rapport à une approche classique par ``campagnes'' est de diminuer le temps nécessaire à obtenir une incertitude suffisamment petite pour détecter un signal tectonique. Par exemple, des mesures GPS continues en Californie du Sud ont permis d'obtenir des répétabilités de 1 à 2 mm/an sur seulement un an de mesures, sur des lignes de base d'une centaine de kilomètres. Les mesures en continu permettent aussi de réduire au minimum les erreurs d'opérateur (centrage et nivellement des antennes, mesure de hauteur d'antenne, stabilité du trépied, etc.) car les antennes sont montées de manière permanente sur des monuments géodésiques stables et indestructibles.

Enfin, des stations GPS permanentes peuvent être valorisées par de nombreuses applications parfois transdisciplinaires telles que mesure de la quantité de vapeur atmosphérique et prévision météorologique, positionnement cinématique différentiel de véhicules et navires, mesures géodesiques régionales (routes, chantiers, cadastres, ouvrages d'art), surveillance de l'ionosphère, etc.

Interfaçage avec une approche par campagnes

Cette stratégie ne s'oppose pas à des approches de type ``campagnes'' ou ``reprise de points de triangulation anciens'' mais en est complémentaire. En effet, si cette approche ne permet pas de mesurer les gradients de déformation au travers d'une zone tectonique active, ceux-ci peuvent être obtenus par des campagnes s'appuyant sur le réseau permanent. Il est d'ailleurs possible de profiter de ce réseau permanent pour densifier spatialement les mesures en utilisant seulement un ou deux récepteurs supplémentaires mobiles. Il n'est alors pas nécessaire d'organiser des campagnes lourdes et coûteuses, les récepteurs mobiles peuvent être envoyés sur le terrain simplement quand l'occasion se présente. La présence des stations permanentes régionales assure des rattachements suffisamment précis et permet de fonctionner en différentiel même si l'on n'utilise qu'un seul récepteur mobile. On peut imaginer qu'un personnel technique qualifié soit spécifiquement en charge, avec 1 ou 2 récepteurs mobiles, de remesurer progressivement et successivement tous les sites géodésiques temporaires. Une telle approche permet de réduire drastiquement les coûts et les difficultés logistiques inhérentes aux larges campagnes de mesure. Cette approche mixte campagnes/réseau permanent est utilisée par plusieurs équipes américaines (MIT au Kazhakstan, Hawaii en Argentine, Scripps en Indonésie) qui ont démontré des précisions égales, voire meilleures, à celles obtenues par une approche classique de type ``une campagne tous les n ans''.

Des simulations ont été réalisées afin de comparer les déplacements mesurés avec des instruments permanents avec ceux obtenus par des campagnes de mesure. Sur une ligne de base d'environ 200 km de long en Californie du Sud (JPL Pasadena-Pynion Flat Observatory), les mesures en continu montrent 17 mm/an de déplacement sur la composante horizontale est-ouest et un gradient temporel constant. Les simulations de campagnes montrent que les résultats de 5 campagnes de 4 jours de mesure réalisées chaque 6 mois s'inscrivent dans une fourchette allant de 9 mm/an à 21 mm/an, ce qui représente un écart maximal de 35% par rapport à ce que l'on cherche à mesurer. Des simulations de 2 campagnes de 2 jours tous les 2 ans montrent 65% d'écart maximal possible... Ces simulations suivent en fait des distributions gaussiennes, la probabilité de mesurer effectivement un déplacement qui soit de 35 à 65% différent de la ``verité'' est donc faible. En contrepartie, il est cependant impossible d'optimiser a priori la date une campagne GPS pour qu'elle se déroule dans une période où la probabilité est la plus forte de faire une mesure représentative du déplacement véritable. La mesure GPS en continu est donc un point de comparaison crucial qui permet de s'assurer de la précision des résultats des campagnes. Encore une fois, ce problème est d'autant moins important que les taux de déformation sont plus élevés, car le signal cinématique sort alors clairement du bruit. Mais ce n'est pas le cas de l'Antarctique, où les ``bruits'' d'orgines diverses sont très élevés.

Les données continues provenant des récepteurs permanents existants

Nous traitons actuellement les données en provenance des quatres stations permanentes de l'IGS en Antarctique. Les courbes ci dessous montrent les variations au cours du temps de la distance mesurée entre ces stations. Bien que portant sur deux ans seulement, notre analyse montre clairement des tendances saisonnières (100 jours ?) qui rendraient impossible l'analyse fiable de mesures discontinues, effectuées à des époques différentes de l'année.


Figure 2: Evolution de la longueur de la ligne entre les stations Casey et Davis au cours du temps.

L'apport d'un récepteur permanent à la base française de Dumont-d'Urville

La distribution des bases permanentes en Antarctique à la périphérie du continent est assez favorable à la détection des déplacements horizontaux dus à un éventuel "rebond" de la croûte. En effet, le mouvement attendu étant divergent, les stations devraient avoir tendance à toutes s'éloigner les unes des autres. La configuration optimale consiste donc à avoir des stations disposées en opposition, de part et d'autre du centre du continent. En l'état actuel des choses, il est clair qu'un récepteur permanent à la base de Dumont d'Urville permettrait de combler un vide entre les stations de Mac Murdo et Casey.

D'autre part, l'introduction d'un point supplémentaire dans le réseau (qui en comporte seulement 3 à l'heure actuelle, après en avoir comporté 4 pendant une période de 6 mois) devrait améliorer la précision des mesures à toutes les stations. D'une part en améliorant la "robustesse" du réseau (6 lignes de base au lieu de 3), et d'autre part en fournissant un point intermédiaire qui permet de diviser la distance entre Mac Murdo et Casey. Ce dernier point a une certaine importance du point de vue technique du traitement des données. L'introduction d'une ligne de base plus courte dans le réseau devrait permettre aux algorithmes de résolutions des ambiguités de travailler plus efficacement et surtout de manière plus fiable.

A l'avenir, il serait évidemment souhaitable que les bases polaires de G.V. Neumayer, Syowa, Sanae et Mawson accueuillent des stations GPS permanentes, et fournissent des données en continu. Ce dernier point est discussion au sein du SCAR, et les pays concernés (Allemagne, Japon, Afrique du Sud, Australie) devraient y répondre favorablement.

La prise en compte des mouvements locaux

A l' évidence il faut que les mouvements de l'antenne GPS soient représentatifs des mouvements tectoniques que l'on veut étudier. Pour cela, il est nécessaire qu'un certain nombre de critères soient respectés. En premier lieu, il faut que la fixation de l'antenne GPS au sol soit solide et stable dans le temps, ce qui exclue les toits de batiments par exemple. En second lieu, il faut que le sol lui même soit stable et exempt de déformations, ce qui exclu les sols meuble, ou les zones trop `` à risque'' (falaises, roches friables, etc...). Enfin il est n'ecessaire que la zone d'implentation ne soit pas affectée par des phénomènes locaux par trop dissociés des phénomènes que l'on veut observer (volcan, nappe phréatique erratique, glissement de terrain à grande échelle, etc...). l'installation de l'antenne GPS sur un pilier en béton, solidement implanté dans la roche mère affleurante permet de respecter les deux premiers critères a priori. Le troisième critère est plus délicat, mais une étude géologique simple de la zone considéree doit permettre d' écarter facilement des zones trop peu stables.

Il est toujours possible de vérifier a posteriori l'absence de mouvements locaux (ou de les quantifier) en réalisant une ``empreinte'' géodésique du site choisi. Il suffit pour cela d'installer un certain nombre de repères géodésiques dans les environs du repère principal, et de vérifier les distances entre ces repères en cas de doute. De telles mesures peuvent se faire aussi bien par des moyens de télémetrie classique qu'à l'aide du GPS.

Le site de Dumont d'Urville répond assez bien à toutes ces préoccupations. Un pilier stable existe déjà (implanté début 1995 par A. Gervaise du service de géodésie et nivellement de l'IGN). Il est clair que le site est stable du point de vue géologique (absence de faille à proximité). Enfin il existe tout un réseau de repères géodésiques locaux (sur tout l'archipel), déjà mesuré, qui permettrait de quantifier d'éventuels mouvements du repère principal par rapport à toute la région.


Rattachement aux grands programmes nationaux et internationaux.

L'établissement de points géodésiques de référence est une activité de l'IGN, développée depuis plusieurs années sur le territoire métropolitain (RRF) et les DOM-TOM. A ce titre, l'IGN a participé à plusieurs campagnes GPS internationales couvrant l'Antarctique et plus généralement les TAAF. Un intérêt spécifique a été apporté aux co-localisations avec les balises du système français DORIS du CNES, avec qui l'IGN est en coopération active. Il est en particulier responsable du déploiement du réseau global ainsi que de l'interface scientifique avec le Service International de Rotation de la Terre (IERS) qui a récemment accepté la technique DORIS aux côtés du VLBI, de la télémétrie laser et du GPS. L'IGN est par ailleurs responsable de la réalisation du système de référence terrestre (ITRS) dans lequel ces données sont incluses. Dans le cas de Dumont d'Urville, on peut également mentionner la co-localisation possible avec le marégraphe prévu au même endroit dans le cadre du programme GLOSS de l'UNESCO/COI (réseau de 200 marégraphes en co-localisation lorsque c'est possible avec des stations permanentes GPS). Enfin, le consensus internationalement admis est que l'installation d'une station GPS permanente offre un maximum d'intérêts. Son inclusion dans le réseau du Service International GPS pour la Géodynamique est l'un des meilleurs moyens pour atteindre ces divers objectifs. L'installation d'un récepteur permanent à Dumont d'Urville correspond donc exactement aux objectifs précédents, y compris co-localisation avec le système DORIS.

Co-localisation avec le marégraphe prévu

L'objectif que l'on cherche à atteindre en implantant un marégraphe est en général de connaitre les variations du niveau des mers. Or, un marégraphe mesure le niveau de l'eau par rapport au sol sur lequel il est implanté, lequel sol est souvent encore moins stable que le niveau de l'eau. Pour connaitre les variations absolues du niveau des mers il est donc indispensable de mesurer la position du marégraphe dans un référentiel absolu, indépendant du niveau des mers. La présence d'une station GPS permanente à proximité du marégraphe fourni justement cette mesure. Cette co-localisation présente un avantage déterminant. Non seulement on a accès au niveau absolu des océans, ce qui permet les études de phénomènes purement océaniques tels que les courants saisonniers (El niño par exemple), mais surtout la tendance à long terme (quelques millimètres par an) devient visible au bout de quelques années seulement. C'est pourquoi la co-localisation systématique des marégraphes avec des stations GPS permanentes consitue une recommandation de toutes les instances internationales. Notre projet de station GPS permanente à Dumont-d'Urville s'inscrit donc parfaitement dans cette préoccupation, compte tenu du projet d'installation d'un marégraphe.

Co-localisation avec DORIS

Le système DORIS est un système de positionnement spatial développé par le CNES. Ses caractéristiques le rendent plutot complémentaire que concurrent du système GPS. DORIS est un système ascendant (émetteur au sol et récepteur en vol spatial), alors que GPS est un système descendant (récepteur au sol). DORIS n'est pas destiné à fournir des positions très précises dans un laps de temps très court mais plutot une estimation conjointe de la position et de la vitesse de déplacement d'une station au sol au bout de quelques années de mesures pour une précision en gros équivalente à celle du GPS. De ce fait, DORIS est parfaitement adapté à la mesure de la tectonique des plaques à grande échelle lorsque ses balises sont situées sur des zones stables des plaques. Par contre, le système ne permet pas d'étudier finement une série temporelle et bruitée puisque les mesure quotidiennes sont intrinsèquement peu précises. Il n'en reste pas moins, qu'au bout de quelques années, les deux systèmes doivent produire la même estimation de la vitesse de déplacement à long terme d'un même point. La co-localisation des deux systèmes permet donc de les étalonner l'un par rapport à l'autre. Une balise DORIS fonctionne de manière permanente à la base de Dumont d'Urville depuis janvier 1990. L'installation d'une station GPS permanente voisine répondrait donc là aussi aux recomandations des instances internationales en la matière.

Intégration dans le réseau IGS, coordination avec les autres stations GPS permanentes

Les données en provenance des stations IGS sont distribuées gratuitement et disponibles entre 24 et 48 heures après leur enregistrement. D'autre part, les récepteurs GPS sont tous construits pour échantillonner le signal GPS exactement au même instant. Il n'y a donc aucune espèce de coordination à organiser a priori entre les différentes stations. Il suffit de rassembler a posteriori les données en provenance de toutes les stations sur la zone antarctique qui nous intéresse pour constituer un ensemble homogène, immédiatement exploitable. Pour toute nouvelle station installée en Antarctique qui ne ferait pas partie de l'IGS (contrairement à Casey, Davis, McMurdo, et O'Higgins, mais comme cette éventuelle station de Dumont d'Urville), il faudrait conclure un accord bi-partite pour pouvoir bénéficier de ses données. En règle générale, un simple échange de données convient à toutes les parties. D'après des contacts preliminaires, ce pourrait être le cas des Australiens susceptibles d'installer une nouvelle station en dehors de l'IGS sur le site de Mawson.

Collaboration avec d'autres laboratoires ; personnels impliqués, nature des collaborations.

Le Laboratoire de Recherche en Géodésie (LAREG) de l'IGN avec :

Le Service de Géodésie et de Nivellement (SGN) de l'IGN avec :




PROGRAMME DE RECHERCHE POUR L'ANNEE 1997-1998

Le récepteur GPS sera installé pendant la prochaine campagne d'été austral (Novembre 1997 - Février 1998). Il fonctionnera ensuite de manière permanente à la base de Dumont-d'Urville.

Le site existe déjà, puisqu'un nouveau pilier géodésique pouvant accueillir une antenne GPS a été installé à proximité de la base lors de l'avant-dernière campagne SCAR en février 1995 (Compte rendu de mission sur la base de Dumont d'Urville (Terre Adélie) dans le cadre de la campagne GPS internationale SCAR epoch 95, A. Gervaise, 1995). L'installation ne pose donc aucun problème particulier, il suffira d'acheminer le matériel (rotation R0 ou R1 en novembre ou décembre 1997).

Une fois installé, le récepteur fonctionne de manière autonome sans nécessité aucune intervention. Il sera néanmoins nécessaire d'assurer un controle quasi quotidien du bon fonctionnement du tandem récepteur/PC (redémarrage en cas de coupure par exemple), ainsi que de l'état de l'antenne (déblayage de la neige accumulée par exemple). L'équipe ``géophy'' de la base qui assure la maintenance de la balise DORIS doit être en mesure d'assurer cette tache de surveillance sans difficulté. Chaque année, cette équipe reçoit une demi-journée de formation DORIS à l'IGN. On peut envisager d'y ajouter la familiarisation avec le matériel GPS et sa maintenance . Il ne reste donc à résoudre que le problème de l'installation proprement dite du récepteur. Nous proposons donc de proceder à cette installation en synchronisation avec la campagne SCAR epoch 98 (prévue mi-janvier 98, c'est à dire en pahse avec la troisième rotation de l'Astrolabe R2). La présence d'une personne compétente est hautement souhaitable, aussi nous proposions que ce soit la personne chargée de la campagne SCAR de cette année qui procède à l'installation de manière à éviter les surcoûts.