Demeter, le “micro” qui écoutera la Terre gronder

Le microsatellite Demeter.
24 juin 2004

Le 29 juin prochain, un missile Dnepr décollera de Baïkonour pour mettre en orbite huit micro- et nanosatellites. Parmi ceux-ci, le satellite français Demeter, porteur d'un instrument de l'ESA, tentera de déterminer s’il est possible de détecter l’imminence des séismes depuis l’orbite.

Le déclenchement des séismes, les éruptions volcaniques et les tsunamis sur Terre entraînent-t-ils des modifications électromagnétiques significatives dans l’ionosphère et, si c’est le cas, la surveillance de tels phénomènes pourrait-elle permettre de lancer des avis d’alerte quelques heures à l’avance comme cela se fait couramment pour les tempêtes en météorologie ?

Au cours des dernières décennies, des mesures effectuées par des satellites observant l’ionosphère terrestre ont mis en évidence des phénomènes étranges, semblant liés à une activité sismique intervenant dans des régions survolées. Ainsi, en 1982 les deux antennes magnétiques du satellite franco-russe Aureol 3 ont détecté un signal à 800 Hz avant et pendant un séisme de magnitude 5,4 survenu au large des îles Fidji, alors même que le satellite survolait la région. Ces observations ont toutefois été trop peu nombreuses pour que des conclusions définitives puissent être tirées.

Earthquake in India, January 2001
Après un séisme en Inde.

Vérifier la réalité de tels phénomènes et, s’ils sont avérés, les caractériser sont les objectifs de la mission Demeter (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions) du Centre National d'Etudes Spatiales (CNES).

« On ignore encore l’origine de ces phénomènes », explique Pascale Ultré-Guérard, responsable du programme géophysique interne et géodésie au CNES. « Plusieurs théories ont été envisagées faisant intervenir des circulations importantes d’eaux souterraines, la propagation d’ondes acoustiques, un effet piézo-électrique ou l’émission d’un gaz radioactif ».

Microsatellite et micro-instrument

La sonde de Langmuir fournie par l'ESA pour Demeter
La sonde de Langmuir fournie par l'ESA.

D’une masse d’à peine 125 kg, Demeter emporte une charge utile scientifique composée de cinq instruments, dont une sonde de Langmuir fournie par le Département de la Recherche et du Support Scientifique (RSSD) de l’ESA et le Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement (LPCE) d’Orléans. Cet instrument est chargé de mesurer la concentration en ions et électrons et la température de ces derniers, ainsi que de mettre en évidence la variation de ces paramètres en relation avec une activité sismique ou volcanique. Cette sonde, qui ne dépasse pas 250 grammes avec son électronique de contrôle, a été réalisée dans les laboratoires du RSSD à l’ESTEC, le centre technique de l’ESA à Noordwijk (Pays-Bas) dans le cadre du programme de recherche scientifique de l’agence et en coopération avec l’Institut de Physique de l’Atmosphère de Prague (République Tchèque). Jean-Pierre Lebreton, par ailleurs responsable scientifique et technique de la mission Huygens vers Titan et expert de ce type d’instrument, en assume la responsabilité dans le cadre de ses activités de recherche : « Il s’agit d’un nouveau concept de sonde de Langmuir sphérique que nous avons développé au cours des six dernières années. Sa surface segmentée est capable de fournir des informations directionnelles sur les caractéristiques du plasma. Demeter nous donne l’occasion de l’essayer en vol ».

Integration and testing of Demeter microsatellite
Demeter en intégration à Toulouse.

Les autres instruments de Demeter s’attacheront à mesurer les composantes magnétiques et électriques des ondes, le spectre des particules énergétiques et le plasma.

Les mesures en orbites seront complétées par des mesures au sol, avec notamment un laboratoire européen dans la région de Corinthe, en Grèce, réputée la plus sismique d’Europe, avec une panoplie complète de détecteurs : stations électromagnétiques, sismomètres, gravimètres, détecteurs de radon, inclinomètres, etc. Des mesures de ce type ont déjà été réalisées ponctuellement. Malheureusement leur manque de reproductibilité a toujours empêché d’en tirer des conclusions définitives.

Le réseau de navigation américain GPS et le réseau français d’orbitographie Doris seront également mis à contribution pour dresser des cartes en 2D de l’ionosphère qui seront comparées avec les données de Demeter.

Lever l’incertitude par la statistique

Si les séismes perturbent l'ionosphère, Demeter sera aux premières loges.

Au cours de sa mission de deux ans, Demeter devrait survoler environ 400 séismes de magnitude supérieure à 5 entre 0 et 5 heures avant le choc. Ses instruments effectueront des mesures en permanence en mode à résolution réduite, avec un passage en mode à haute résolution au-dessus des principales zones sismiques de la planète. Il devrait donc être possible d’établir une corrélation statistique entre les perturbations enregistrées dans l’ionosphère et l’activité sismique au sol. « Il est envisageable que nous ne trouvions pas de corrélation suffisamment marquée pour que la technologie présente un intérêt » reconnaît Pascale Ultré-Guérard. « Néanmoins, le doute sera levé et nous saurons alors à quoi nous en tenir ».

En revanche, si Demeter venait à confirmer l’existence d’une corrélation, alors il deviendrait possible de concevoir une constellation de satellites bardés de détecteurs similaires pour assurer une couverture globale avec une répétitivité importante. Toutefois, la mise en place d’un système opérationnel reste une perspective encore très lointaine. « Cela nécessitera d’abord d’améliorer notre connaissance des phénomènes sismiques, en particulier pour les phases pré-sismiques et inter-sismiques » prévient Pascale Ultré-Guérard. « Il faudra aussi disposer de paramètres fiables et maîtrisés ainsi que de critères d’alerte judicieux comme il en existe en météorologie ou en volcanologie ».

Séismes extraterrestres : l’étape suivante ?

Vue reconstiituée du volcan Sif Mons sur Vénus
Vénus tremble-t-elle ?

Mais même si Demeter ne parvient pas à détecter des signaux précurseurs aux activités sismiques et volcaniques, la simple détection de séismes en cours, par exemple par leurs ondes acoustiques, pourrait s’avérer très utile en planétologie comparée. « Si Demeter donne des résultats probants autour de la Terre, nous pourrons appliquer la méthode à Vénus, avec peut-être même de meilleurs résultats puisque l’atmosphère y est plus dense, ce qui favoriserait la propagation des perturbations dans la haute atmosphère » estime Jean-Pierre Lebreton. Une perspective passionnante pour une planète à la surface si difficile d’accès.

Titan, le satellite de Saturne dont l’atmosphère sera explorée par la sonde européenne Huygens en janvier prochain, pourrait également être un prochain objectif, dans un avenir plus lointain. Dans un premier temps l’ionosphère de Titan sera visitée par l’orbiteur Cassini qui effectuera plus de 40 survols dans les couches supérieures de la haute atmosphère.

Une activité sismique sur Titan ?

Outre sa mission de « défricheur technologique », Demeter étudiera l’environnement électromagnétique global de la Terre et notamment l’impact des activités humaines sur celui-ci.

Demeter est le premier membre d’une nouvelle génération de toutes petites missions – baptisée Myriade – que le CNES souhaite lancer à un rythme annuel et à un coût limité, principalement pour tester de nouvelles technologies ou de nouveaux concepts. La prochaine mission Myriade sera Parasol, fin 2004, qui emportera la caméra Polder pour l’observation des nuages et des aérosols et l’étude de la réflectivité de l’atmosphère. Deux modèles de cette caméra ont déjà été embarqués sur deux satellites japonais, hélas tous deux perdus moins d’un an après leur mise en orbite. Suivra en 2007 le microsatellite Microscope pour une mission de physique fondamentale afin de vérifier le « principe d’équivalence » qui stipule que masse inertielle et masse gravitationnelle sont identiques. Cette équivalence a déjà été vérifiée jusqu’à un ordre de grandeur de 10-11, il s’agira pour Microscope de pousser la vérification à 10-15. Sur cette mission, l’ESA fournira des micro-propulseurs ioniques.

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