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Quand sciences de l'espace et applications font bon ménage

Dossier - Quand sciences de l'espace et applications font bon ménage
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Si les vols habités occupent le devant de la scène médiatique, n'oublions pas tout ce que nous apportent, tant sur le plan des connaissances que de l'amélioration de la vie courante, les autres missions spatiales.

  
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Dès le début, la découverte de l'ionosphère et les applications sont étroitement imbriquées. Rappelons que pour vérifier la prévision de Maxwell, Hertz réussit, en 1888, l'émission et la réception d'une onde électromagnétique à partir d'une étincelle oscillante.

La transmission ne dépasse guère quelques mètres, mais très vite, S. Popov et G. Marconi comprennent la portée pratique de cette découverte et si les premières communications à distance, par « ondes hertziennes », sont limitées à quelques km, dès 1901, Marconi réalise une liaison entre les deux rives de l'Atlantique. La voie aux télécommunications sans fil (TSF) est ouverte.

Pour réussir, Marconi a utilisé l'antenne inventée par Popov et, à la réception, le cohéreur attribué à Branly : un tube fermé par deux pistons et rempli de limaille de fer, dont la conductibilité chute brusquement au passage d'une onde électromagnétique Le cohéreur de Branly permettait d'ouvrir un circuit électrique (par exemple pour allumer une lampe), mais après chaque signal, le cohéreur devait être décohéré par un petit choc, ce qui évidemment limitait la fréquence des informations transmises)

L'interprétation théorique devra attendre L. Néel, avec à la clé, toutes les applications construites autour des ferrites

Le succès de Marconi défie les prédictions scientifiques de l'époque car, sur une telle distance, l'onde électromagnétique ne peut se propager en ligne droite ; il faut obligatoirement qu'elle subisse au moins une réflexion, mais sur quel miroir ?

Reprenant une idée de B. Stewart, A. Kennelly et O. Heaviside suggèrent en 1902 que la perturbation électromagnétique émise par l'antenne de TSF se propage non seulement horizontalement, mais aussi vers le haut. Elle se réfléchirait alors sur une couche conductrice permanente : la couche de Kennelly-Heaviside, qu'ils situent vers l'altitude de 80 km. Ainsi, entre les deux rives de l'Atlantique, l'onde se serait propagée par réflexions successives, entre l'océan et une couche ionisée de la haute atmosphère.

L'existence de cette couche sera confirmée en 1924 par Appleton et Barnett en Grande Bretagne et par Breit et Tuve en Amérique. Pour ce faire, ils envoient verticalement, à l'aide d'un émetteur directif, de courtes impulsions dont ils identifient les réflexions grâce au léger décalage en longueur d'onde des trains d'onde successifs. Le temps d'aller et retour confirme l'altitude de 80 km de la couche réfléchissante. Une mesure directement dérivée du radar.

Dans toute cette affaire, difficile de démêler science et applications... et il en est de même pour bien des thèmes de recherche spatiale, comme par exemple la mesure des perturbations des orbites satellitaires.

A l'automne 1957, les Russes ouvrent, avec Spoutnik, un nouveau champ d'exploration. On écoute le bip-bip du satellite et, pour un bon contraste, on le suit au crépuscule, quand les basses couches atmosphériques sont déjà dans l'ombre tandis que le satellite est encore éclairé par le soleil.

Cette première reconstitution de trajectoire suggère l'étude des perturbations en orbite. Les origines sont multiples : des frottements aérodynamiques résiduels A 400 km d'altitude, au cours d'une révolution, une surface de 10m2 balaie 2 g d'air. à la pression de radiation, en passant par les irrégularités du champ de gravité.

Géodésie, géophysique, aéronomie, géologie, météorologie, bien des disciplines sont intéressées par ces mesures aux méthodes diverses, selon que l'on privilégie l'étude de telle ou telle origine. C'est ainsi qu'on lance de grands satellites, comme les satellites Echo de 25 m de diamètre, aussi légers que possible, pour mesurer les frottements résiduels ou la pression de radiation, ou bien de simples boules très denses, comme Starlette, pour les variations de la gravité.

Pour reconstituer les trajectoires, les procédés vont évoluer. Au début les satellites sont équipés d'un oscillateur à quartz très stable, dont les émissions sont reçues, au sol, par des stations synchronisées. On utilise ensuite la télémétrie laser, en garnissant la surface externe du satellite de réflecteurs  Des prismes pleins, trirectangles, qui renvoient les faisceaux laser dans la direction d'incidence, même si la face d'entrée n'est pas rigoureusement perpendiculaire à cette direction. , ainsi que le système français Doris (détermination d'orbite et de radio-positionnement intégré par satellite), un système radioélectrique utilisable également par temps couvert.

Si les retombées scientifiques de la trajectographie précise des satellites sont nombreuses (elles dépassent le cadre de cet article), que dire des applications !

Il y a d'abord le système GPS (Global Positioning System), mis en service par les militaires américains dans les années 80. Il permet, quel que soit le véhicule, une localisation facile et précise à tout instant, par rapport à des satellites dont la position est connue avec une grande précision. Le prix peu élevé du récepteur entraîne l'équipement progressif de tous les moyens de transport, maritimes, aériens et même terrestres, révolutionnant leur gestion.

Autre application, la détection des courants marins par le satellite Topex-Poséidon dont le radar-altimètre, d'une précision du cm, mesure en permanence sa distance au niveau de la mer. La position du satellite étant connue, on peut délimiter en permanence les courants océaniques, chauds ou froids, sachant que ces courants sont au-dessus ou en dessous du niveau moyen d'une dizaine de cm. Une mission particulièrement utile pour le suivi, du phénomène « el Nino ».


copyright Cnes - D. Ducros

Juste retour des choses ? Le GPS sert aujourd'hui à mesurer, avec une précision inégalée, le champ de gravitation de la Terre et ses variations. Lancée en mars 2002, la mission Grace de la Nasa et de l'agence spatiale allemande est rattachée à deux satellites, l'un précédant l'autre de quelques centaines de km. Cette distance, mesurée au micron près par un système radioélectrique, varie avec le champ de gravitation des régions survolées.

Les deux satellites, à 500 km d'altitude, sont équipés d'accéléromètres ultra-sensibles pour éliminer l'influence de la traînée résiduelle et de la pression de radiation, tandis que des récepteurs GPS déterminent de façon continue la position exacte des satellites.

On peut se demander ce que la détermination du géoïde Surface de référence équipotentielle du champ de gravité terrestre. Elle coïncide, au-dessus des océans, avec le niveau moyen des mers., au mm près, et la mesure des fluctuations de la gravité terrestre peuvent apporter ! En fait, tant scientifiques que pratiques, les demandes sont nombreuses.

L'océanographie, la géodésie, la glaciologie et la géophysique sont intéressées, pour des études aussi diverses que celles des flux thermiques océaniques, de la variation sur le long terme du niveau des océans ou encore des fluctuations locales de densité du manteau et de la lithosphère. Prenons les sondages altimètriques des océans, Topex-Poséidon et bientôt Jason mesurent les différences de niveau au cm près, mais ils n'en donnent pas l'origine. Avec Grace, on saura si les élévations sont dues à un échauffement (donc à une dilatation de l'eau) ou à la fonte de glaces.

Les applications ne sont pas en reste, avec des informations climatiques comme les variations du stockage de l'eau et de la neige continentale et, nouveau retour, la précision du GPS affectée, entre autres, par la concentration locale de vapeur d'eau.

On pourrait prendre d'autres exemples, comme bien sûr les satellites d'observation ou ce projet Eole, initialement destiné à l'interrogation de ballons dérivant pour l'étude du comportement des masses d'air de la haute atmosphère et qui a donné naissance au suivi de toutes sortes de balises, comme le système Argos pour le sauvetage des navigateurs.

En conclusion, si les vols habités occupent le devant de la scène médiatique, n'oublions pas tout ce que nous apportent, tant sur le plan des connaissances que de l'amélioration de la vie courante, les autres missions spatiales.