Estimation de la bathymétrie à partir de l'altimétrie

Les mesures, denses, des satellites altimétriques peuvent être utilisées en combinaison des mesures éparses des profils bathymétriques effectués à partir d'un navire, pour construire une carte uniforme de la topographie des fonds sous-marins. Ces cartes, n'ont toutefois pas une résolution suffisamment correcte pour être utilisées pour le routage des navires mais elles restent très utiles pour des applications comme la localisation des reliefs majeurs capables de faire obstacle aux grands courants ou à la localisation des monts sous-marins là où poissons et homards sont abondants. Une bathymétrie détaillée révèle également les limites des plaques tectoniques et du plateau océanique.


La bathymétrie peut être calculée à partir de l'altimétrie, en combinaison avec d'autres données.(Crédits Cnes).Voir l'interface 3D.

Une connaissance détaillée de la topographie est essentielle à la compréhension des processus physiques qui régissent la Terre. Dans les océans, une bathymétrie détaillée est essentielle pour l'océanographie physique, biologique et géologique. Courants et marées sont autant contrôlés par la forme globale des bassins océaniques, que par les petits monts sous-marins ou dorsales océaniques affilés. La vie marine est abondante dans les lieux où les changements de profondeur sont brusques, là où précisément, les eaux riches en nutriments remontent vers la surface. Grâce à un faible taux d'érosion et de sédimentation dans les océans profonds, une bathymétrie détaillée révèle les modes de convection du manteau, les limites des plaques tectoniques, les subsidences de la lithosphère océanique, les plateaux océaniques et la distribution des volcans sous-marins.

Puisqu'il est impossible de cartographier la topographie sous-marine directement depuis l'espace, cette opération fastidieuse est opérée à l'aide d'échos sondeurs à bord de navires. Toutefois, une cartographie complète des bassins océaniques avec une résolution horizontale de 100 m pourrait représenter 125 années de profils effectués par des navires en utilisant la toute dernière technologie. Ainsi, jusqu'à récemment, notre connaissance de la topographie sous-marine est restée relativement pauvre.

La surface libre des océans se déforme (de plusieurs dizaines de mètres par endroit) sous les effets différentiels de l'attraction terrestre consécutifs au relief et à la répartition inégale des masses terrestres sous-marines. L'altimétrie, dont les ondes électromagnétiques ne pénètrent pas en profondeur, est donc capable de mesurer la déformation de la surface océanique due au relief accidenté du fond des océans.

Les données collectées à bord des satellites ERS-1 et Geosat ont été analysées pour calculer le champ de gravité marin sur presque tous les océans avec une précision spectaculaire et à une résolution spatiale correcte. En mars 1995, l'orbite géodésique de ERS-1 (~8 km d'espacement entre les traces à l'Equateur) a permis de compléter la topographie de la surface de la mer entre 81.5° de latitudes Nord et Sud. Ces données ont été combinées et traitées pour calculer un géoïde marin global et une grille du champ de gravité [Cazenave et al., 1996; Sandwell and Smith, 1997]. Aux longueurs d'onde de 15 à 200 km, les variations de l'anomalie de gravité sont fortement corrélées à la topographie des fonds sous-marins.

Anomalies de gravité (à gauche) calculées à partir de l'altimétrie et topographie (à droite) déduite de ces anomalies de gravité et de mesures in-situ. (Crédits Noaa/Scripps Institution of Oceanography).

Les bases théoriques du calcul de la topographie sous-marine à partir des mesures altimétriques sont résumées dans un article de Dixon et al. [1983]. Les échos-sondages des navires contraignent les grandes longueurs d'onde du relief tandis que les courtes longueurs d'onde de la topographie sont déduites des mesures continues de gravité des satellites [Smith and Sandwell, 1994]. Plusieurs obstacles nécessitent une approche adaptée : 

  • le calcul de la bathymétrie à partir des anomalies de gravité est seulement possible sur une bande limitée de longueurs d'ondes,
  • les grandes longueurs d'ondes sont fortement dépendantes de l'épaisseur élastique de la lithosphère et/ou de l'épaisseur de la croûte,
  • la sédimentation des matières en suspension peuvent parfois gommer la topographie préexistante.
Bathymétrie déduite près de Madagascar. On distingue les monts sous-marins à l'Est de l'archipel des Comores, entre Afrique et Madagascar (bassin des Mascareignes). (Crédits Legos/CNRS).

Références :

  • Cazenave, A., P. Schaeffer, M. Bergé, et C. Brossier, High-resolution mean sea-surface computed with altimeter data of ERS-1 (Geodetic mission) and Topex/Poseidon, Geophys. J. Int., 125, 696-704, 1996.
  • Dixon, T. H., M. Naraghi, M.K. McNutt, and S.M. Smith, Bathymetric prediction from Seasat altimeter data. J. Geophys. Res. 88, 1563-1571, 1983.
  • Smith, W.H.F., and D.T. Sandwell, Bathymetric prediction from dense satellite altimetry and sparse shipboard bathymetry. J. Geophys. Res. 99, 21,803-21,824, 1994.
  • Smith, W.H.F., and D.T. Sandwell, Global sea floor topography from satellite altimetry and ship depth soundings. Science 277, 1956-1961, 1997.

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