Des horloges atomiques pour mesurer le géoïde de la Terre depuis le sol

Le géoïde de la Terre est la forme que prendrait la planète si sa surface était constituée d'eau. Naturellement, il y a peu de controverse sur la forme du géoïde au-dessus des océans, où il ne varie que de 100 mètres environ en raison des variations de la densité souterraine de la Terre.

Mais sur terre, le géoïde est beaucoup plus délicat à cerner. Les physiciens le font en mesurant l'altitude des satellites en orbite. Ils analysent ensuite les données pour calculer la forme d'une surface qui reproduit le plus fidèlement le niveau mondial de la mer. Ils extrapolent ensuite cela à travers les continents.

Mais les résultats ont des limites importantes. Tout d'abord, les calculs sont intensifs et les solutions peuvent être multivaluées, une décision subjective doit donc être prise pour choisir une valeur particulière. De plus, les résultats ont une résolution spatiale limitée à environ 400 km.

Sur les continents, où il existe une myriade de variations de densité dans la croûte terrestre et en dessous, ce n'est pas assez bon pour détecter de nombreuses formations géologiques importantes telles que des réservoirs de fluides, etc.

Aujourd'hui, Ruxandra Bondarescu à l'Université de Zürich en Suisse, quelques amis disent qu'il y a une meilleure façon de le faire, ou du moins, il y en aura bientôt, basée sur les horloges atomiques.

Selon la relativité générale, les horloges situées à différentes distances d'un corps massif devraient tourner à des rythmes différents ; le plus proche va plus lentement. Mais la différence est infime, beaucoup plus petite qu'il n'a été possible de mesurer en détail. Jusque récemment.

En 2010, des physiciens ont utilisé cette idée pour mesurer un dénivelé de 33 cm entre deux horloges reliées par fibre optique. C'est plus assez de détails pour avoir une bonne idée de la forme du géoïde.

L'idée, disent Bondarescu et co, est de placer une horloge au niveau de la mer, où elle se trouve exactement à la hauteur du géoïde. La deuxième horloge est amenée à un certain point à l'intérieur des terres, où elle est synchronisée avec la première à l'aide d'une fibre.

La deuxième horloge fonctionnera alors plus ou moins vite, selon qu'elle se trouve au-dessus ou en dessous du géoïde. Le changement de fréquence d'horloge révèle exactement à quel point la deuxième horloge est supérieure ou inférieure au géoïde.

L'avantage par rapport aux méthodes satellitaires est premièrement qu'elles sont beaucoup plus précises et deuxièmement qu'il s'agit d'une mesure directe du géoïde à cet endroit, plutôt qu'une mesure indirecte qui doit être traitée de manière approfondie avant de produire une réponse.

Il y a des inconvénients, bien sûr. Le plus important est que les horloges atomiques avec la précision requise ne sont disponibles qu'en laboratoire. Cela devrait changer dans les prochaines années. Divers groupes construisent des horloges portables avec une précision sans précédent.

Par exemple, l'Agence spatiale européenne travaille à une horloge d'une précision d'une partie sur 10^18 conçue pour fonctionner dans l'espace. L'objectif est de tester le principe d'équivalence (si la mission est financée).

Bondarescu et ses collègues disent que ce genre de sensibilité révélera toutes sortes de détails souterrains. Dans un exemple numérique, ils montrent que les meilleures horloges d'aujourd'hui devraient être capables de détecter la perturbation du géoïde causée par une sphère de rayon de 1,5 km avec une anomalie de densité de 20 % enfouie à une profondeur de 2 km dans la croûte terrestre.

Mesurer le géoïde à l'aide d'horloges atomiques n'est bien sûr pas une idée nouvelle. Les gens discutent de cette possibilité depuis vingt ans. Le but de cet article de Bondarescu et co est donc de souligner le fait que des horloges atomiques suffisamment précises pour faire le travail sont maintenant visibles en capacité et seront bientôt dans la nature.

Lorsque cela se produira, nous aurons la capacité de cartographier le géoïde et les structures souterraines qui le déterminent avec une précision sans précédent.

Réf : arxiv.org/abs/1209.2889 : Applicabilité géophysique des horloges atomiques : cartographie directe du géoïde continental

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