Instruments et techniques de la géodésie
Il existe différents moyens de mesurer la forme de la Terre et/ou ses changements de forme (autrement dit la déformation de la Terre). De nos jours, les instruments de mesures qui sont utilisés se basent, pour la grande majorité, sur des observations satellitaires. La vidéo ci-contre explique comment fonctionnent les systèmes de référence terrestres internationaux. Nous vous présentons ensuite des techniques de mesures parfois anciennes, mais toujours utilisées de nos jours.
Technique de la triangulation
Une des premières techniques à avoir été mise en place pour effectuer des mesures de la forme de la Terre, c’est la triangulation, une technique permettant de mesurer la distance entre un point de visée et un objet visé. En répétant ce procédé en plusieurs points, il est possible de créer un maillage qui va permettre de proche en proche de mesurer une distance entre deux points géographiquement très éloignés. C’est ainsi que l’astronome Jacques Cassini (1677-1756) a suggéré que la Terre n’était pas une sphère mais plutôt une ellipse allongée aux pôles.
Pour faire de la triangulation, il suffit de viser un objet en deux points distincts, et dont on connaît la distance qui les sépare. On mesure ensuite l’angle que fait la ligne de visée (lignes pointillées) avec la droite fictive qui relie les deux points d’observations (ligne pleine). À l’aide de formules trigonométriques, il est possible de déduire la distance qui sépare les points de mesures et l’objet visé.
Pour faire de la triangulation, il suffit de viser un objet en deux points distincts, et dont on connaît la distance qui les sépare. On mesure ensuite l’angle que fait la ligne de visée (lignes pointillées) avec la droite fictive qui relie les deux points d’observations (ligne pleine). À l’aide de formules trigonométriques, il est possible de déduire la distance qui sépare les points de mesures et l’objet visé.
Création d’un maillage pour la mesure de grandes distances.
Technique du nivellement
Une autre technique pour mesurer la forme de la Terre est le nivellement qui, quant à elle, permet de mesurer la topographie, c’est-à-dire les différences de niveau (ou d’altitude) entre deux points. Il existe plusieurs méthodes pour déterminer le nivellement (nivellement direct, indirect, hydrostatique, barométrique, etc). Pour comprendre le principe de cette technique, voyons l’approche la plus intuitive : le nivellement direct.
L’idée est la suivante : mesurer une différence d’altitude entre un point d’altitude connu et un autre inconnu. Pour des points très élevés, on procède en mesurant des différences d’altitude entre des points successifs. De nos jours, pour déterminer le Nivellement Général de la France (NGF), on utilise le niveau moyen de la mer mesuré au marégraphe de Marseille comme altitude de référence (c’est-à-dire l’altitude zéro — voir wikipedia).
Ces techniques reposent à l’origine sur des mesures visuelles à l’aide de lunettes de visée. Mais, avec l’arrivée des lasers dans les années 1960, les mesures d’angles et de différences d’altitude ont gagné en précision, grâce notamment à l’utilisation de pointeurs laser. Cependant, ces techniques ne sont pas capables de réaliser des mesures à très grande distance. Ainsi, bien qu’elles soient très utiles pour fournir des informations locales sur la forme de la Terre, elles atteignent leurs limites lorsqu’il s’agit de déterminer les caractéristiques à grande échelle de la morphologie de la Terre. Avec les progrès technologiques, il est devenu possible de réaliser de telles mesures.
Réalisation de relevés topographiques avec des mires de nivellement ou équivalent.
Deux télescopes observent le signal d’un astre commun très éloigné et donc fixe dans le ciel. La distance entre les deux télescopes peut alors être calculée à partir de la différence de temps entre les arrivées du signal radio.
Technique de l’interférométrie à très longue base
Une technique majeure pour effectuer ces mesures à grande distance est appelée interférométrie à très longue base. Elle a été initialement développée pour réaliser des observations astronomiques d’objets très éloignés. Cependant, on s’est rapidement rendu compte qu’elle pouvait être utilisée pour effectuer des mesures très précises de la distance séparant deux radiotélescopes très éloignés l’un de l’autre.
En multipliant ces observations et en les réalisant sur un réseau de télescopes répartis sur la surface du globe, il est possible de faire un maillage très précis de la surface terrestre. C’est en analysant la forme de ce maillage ou son évolution dans le temps qu’il est possible d’avoir une meilleure vision de la forme de la Terre et/ou de la façon dont celle-ci se déforme. Cette technique a notamment été une des premières à permettre de mesurer les taux de déplacement des plaques tectoniques, ce qui a conforté encore davantage la théorie de la tectonique des plaques.
Le système de positionnement global (GPS)
Par la suite, notamment en raison de la guerre froide et de la course à l’espace, une constellation de satellites a commencé à voir le jour. C’est sur cette base qu’a été développé le Système de positionnement global (GPS en anglais). Un instrument GPS, c’est un appareil au sol constitué d’une antenne et d’un récepteur qui surveille en permanence les satellites qui passent au-dessus de sa tête. Dès qu’il capte un satellite, il mesure le temps que met un signal pour aller jusqu’au satellite et revenir. Connaissant la vitesse à laquelle ce signal se propage dans l’atmosphère terrestre, on peut déduire précisément la distance entre le satellite et l’instrument au sol. Ainsi, en combinant des mesures sur de nombreux satellites, il est possible de déterminer avec précision la position de l’instrument GPS à la surface de la Terre.
Principe de la trilatération, où la position d’un point est déterminée à partir des distances à 3 points de repère. Dans le cas de GPS, 4 satellites au minimum sont nécessaires pour obtenir une position.
Principe de l’interférométrie radar : on mesure la différence de trajet parcourue par l’onde radio (indiquée en rouge) entre deux observations.
Interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR)
Les satellites peuvent également être utilisés pour observer directement la surface de la Terre et ses mouvements. Ces observations directes peuvent être utilisées pour déterminer comment la Terre se déforme. Pour cela, nous utilisons une technique appelée interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR en anglais). Cette technique utilise l’observation de la surface terrestre à deux périodes de temps distinctes. En différenciant les deux images radar, nous pouvons suivre les changements de la surface de la Terre. Cette approche est très utilisée pour notamment surveiller l’évolution de la surface terrestre (urbanisation, déforestation, …), mais aussi pour déterminer l’effet de certains processus tectoniques sur la surface de la Terre (tremblements de terre, glissements de terrain).