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Demeter, un petit satellite à l'écoute des tremblements de terre

Un tout petit satellite de 120 kilos et 30 millions d'euros : voici le minuscule joyau technologique lancé dans l'espace le 29 juin 2004, à l'aide d'une fusée ukrainienne Dnepr. L'objectif ? Écouter le grondement électromagnétique des tremblements de terre.

Microsatellite DéméterDéméter, ici au-dessus du golfe de Corinthe (Grèce), la région la plus active d’Europe du point de vue des secousses telluriques. Ce microsatellite a pour objectif de mesurer les éventuels signaux précurseurs des phénomènes dévastateurs au sol. Vue d’artiste.
© David Ducros/Cnes

C'est le premier de sa lignée. Le microsatellite Demeter, construit sous la responsabilité du Centre national d'études spatiales (Cnes), dont la direction des lanceurs se trouve à Évry (Essonne), inaugure une nouvelle manière de faciliter l'accès à l'espace. Désormais, il faudra faire mieux, plus vite et plus simple. Demeter a pris la route des étoiles le 29 juin 2004, emporté par une fusée ukrainienne Dnepr* depuis la base de Baïkonour, au Kazakhstan. Il venait en complément des "poids lourds" qui ont demandé dix ou vingt ans d'études préliminaires avant de s'envoler au-dessus de nos têtes. Il offre une alternative utile aux mastodontes d'observation de la Terre, tels Envisat, d'une masse de 8 tonnes, qui surveille l'effet de serre et le climat ou encore la sonde d'exploration cométaire Rosetta 3 tonnes (voir notre dossier, L'Odyssée de Rosetta), emportée par Ariane 5 le 2 mars 2004.

Face à cette inflation débordante, une réaction s'imposait. Il fallait de manière urgente adapter l'industrie. Les ingénieurs français ont répondu avec la filière de microsatellites économiques baptisée "Myriade". "La décision a été prise en 1998. Et les six premiers exemplaires de la série d'engins poids plume ont rejoint leur orbite en 2004, indique Marie-Anne Clair chef de projet de la filière microsatellitaire du Cnes. Nous disposons à présent d'une génération de satellites conçus en trois ans et pour 30 millions d'euros."

Demeter, premier des microsatellites

Assemblage du microsatellite DéméterLe but de Déméter sera de mesurer depuis l'espace les perturbations électriques et magnétiques que les tremblements de terre, éruptions volcaniques et autres tsunamis peuvent provoquer.
© Emmanuel Grimault/Cnes
Il y aura d'abord Demeter, qui porte le joli nom de la déesse grecque des moissons et de la terre cultivée et assure l'abondance des récoltes. Pour les scientifiques, de manière prosaïque, Demeter s'apparente à un cube de 60 x 60 x 80 cm. "Les fonctions de base d'un satellite Spot de trois tonnes se retrouvent… dans le volume d'un réfrigérateur ou d'un lave-linge", résume François Buisson, responsable de l'industrialisation.

Le but sera ici de mesurer - depuis l'espace - un effet méconnu voire controversé : "Les perturbations électriques et magnétiques que les tremblements de terre, les éruptions volcaniques et autres tsunamis (ou raz-de-marée) peuvent provoquer", indique Pascale Ultré-Guérard responsable de la géophysique interne au Cnes. Pour cela, Demeter embarquera une batterie de capteurs électromagnétiques ainsi que des analyseurs de particules chargées. "Nous étudierons l'environnement de la Terre, jusqu'aux plus hautes franges de l'atmosphère. L'ionosphère s'étend à partir de 70 km et sur des milliers de kilomètres en altitude. Nos calculs indiquent qu'en deux ans nous survolerons 400 séismes d'intensité moyenne à forte", estime la scientifique. En ligne de mire : le fol espoir d'accéder à de faibles signaux précurseurs des phénomènes dévastateurs au sol.



* La fusée Dnepr utilisée pour Demeter est un lanceur à trois étages issus d’anciens missiles soviétiques ss-18 non modifiés.

01.Microsat, micro-prix, performance maxi

Transfert de DéméterTransfert du microsatellite Déméter dans le caisson de vide thermique, pour des essais dans les conditions de l’espace. Le 17 octobre 2003.
© Emmanuel Grimault/Cnes
Le ton est donné. Économie et innovation seront les maîtres mots du programme audacieux qui donne un coup de fouet à la recherche spatiale. Demeter, le premier microsatellite français réalisé dans une mini-série industrielle baptisée Myriade. Il succède à Starlette, Stella, Arsène, Osiris ou Cerise qui avaient posé les jalons depuis 1975. La poursuite de l'aventure spatiale passe par une réduction drastique du prix du kilogramme en orbite. Les gros satellites de télécommunication "arrosent" notre globe d'émissions de télévision, de programmes de cinéma et de liaisons téléphoniques ou Internet. Mais à côté du chiffre d'affaires généré, arrive la nécessité de concevoir une voie alternative pour la compétitivité. "Nous raisonnons en termes de délais, coûts et rentabilité, lance Marie-Anne Clair, chef de projet de la filière microsatellites du Cnes. Nous inaugurons une ligne destinée à répondre à des besoins variés". Le résultat ? Les satellites Myriade seront fabriqués en trois ans et pour 25 à 30 millions d'euros." Impensable il y a peu. "En contrepartie, les risques techniques seront plus élevés. Les essais au sol et les éléments de sécurité à bord seront moins nombreux. Ceci s'avère approprié dans le cas des missions d'exploration dont le succès scientifique n'est pas garanti de manière absolue", explique la responsable.

Premier de cordée, donc : Demeter, lancé le 29 juin 2004, à l'aide d'une fusée ukrainienne Dnepr. Le tir a été effectué depuis le cosmodrome historique de Baïkonour, au Kazakhstan. Autant dire que les ingénieurs français en attendent beaucoup. Avec Demeter, c'est tout le concept de satellite "facile et rapide à lancer" qui subira l'épreuve du feu. Les cinq frères et sœurs inscrits ensuite sur la liste Myriade ont été lancés depuis : Parasol est dédié à l'étude des aérosols tandis que ses quatre congénères de la flottille Essaim ont été conçus comme des démonstrateurs d'écoute électromagnétique pour la Délégation générale de l'armement. Tout ce beau monde a été lancé "en grappe", au mois de décembre 2004, comme compagnons de voyage du gros satellite optique et infrarouge Hélios 2A à bord d'une fusée Ariane 5 depuis Kourou, en Guyane.

Assemblage du microsatellite DéméterA plus longue échéance, les équipes Cnes songent à d'autres microsatellites. Déméter aura à essuyer les plâtres.
© Emmanuel Grimault/Cnes
À plus longue échéance, les équipes du Cnes songent à d'autres microsatellites tel Microscope qui aura pour tâche de vérifier la relativité d'Einstein à partir de 2009. Picard, lui, scrutera le Soleil afin d'améliorer les prévisions du climat. Au total : "La filière Myriade pourrait être dédiée à la surveillance de l'environnement, la mesure de l'effet de serre et du réchauffement, les études de physique fondamentale, l'astronomie et les applications militaires", résume Philippe Goudy, sous-directeur des projets orbitaux au Cnes. D'où l'intérêt de ne pas manquer la première marche.

Les colères intérieures de la Terre comptent ici parmi les phénomènes les plus catastrophiques et les plus destructeurs que l'humanité connaisse. Elles sévissent depuis des millénaires et frappent les populations sur tous les continents. Les dégâts se chiffrent par centaines de millions d'euros. Ce cycle infernal se reproduit sans faiblir.

02.Séismes, tsunamis et tout… le tremblement

Vue d’artiste du microsatellite DéméterL’espace est un belvédère sur notre planète. Il offre une vue imprenable sur les océans, les continents et les volcans.
© David Ducros/Cnes
Pour preuve : en 2003, le tremblement de terre du 26 décembre à Bam en Iran, ville forteresse située sur l'ancienne route de la soie, s'est soldé par 26 271 morts et 525 disparus. Auparavant, Boumerdès en Algérie avait coûté la vie à 2 266 individus le 21 mai. La liste est longue. Et elle remonte ainsi jusqu'à l'Antiquité. Citons pêle-mêle : la destruction de Sparte en 464 avant notre ère, le désastre de 1556 en Chine avec 830 000 victimes, San Francisco en 1906, le Chili en mai 1960 et, aussi, Izmit en Turquie avec les 20 000 décès d'août 1999, Taiwan, le Salvador ou le Gujarat indien de janvier 2001... Le tsunami de l’océan Indien, qui est survenu le 26 décembre 2004 causant plus de 200 000 morts, restera longtemps dans la mémoire collective.

On le voit. Étudiées depuis Aristote et les savants de l'ancienne Chine, les secousses telluriques n'ont toujours livré qu'une frêle partie de leur secret. C'est à peine si l'on sait qu'elles sont provoquées par de brusques mouvements de failles dans la croûte rocheuse du globe. Elles jalonnent les seize plaques tectoniques qui couvrent la planète. La pression accumulée se relâche. Ce qui déclenche les chocs mais aussi des courants et des vagues à la surface des océans, causes de raz-de-marée. D'autres sortes de frissons sont dus aux écoulements de magma dans les volcans. Certains sont d'origine humaine : liés à la rupture de barrages hydrauliques ou aux explosions, notamment, de bombes nucléaires…

À l'écoute des soubresauts de la terre

Les tremblements de terre se trouvent désormais au centre d'un vaste réseau de stations de surveillance, géré à l'échelle mondiale. Les sismomètres modernes écoutent et traquent les séismes en permanence. Impressionnant : on enregistre ainsi plus de 50 événements géophysiques par jour. Soit environ 25 000 par an ! Heureusement, tous ne sont pas meurtriers...

Leur intensité se mesure sur l'échelle des magnitudes. Notion introduite en 1935 par le Californien Charles Francis Richter. Ses travaux ont abouti à la définition de niveaux caractéristiques de l'amplitude des séismes. Ils vont, pour simplifier, de 1 à 10. La magnitude 5 correspond, peu ou prou, à l'énergie libérée par la bombe atomique qui détruisit Hiroshima.

À Bruyères-le-Châtel (Essonne), le département d'analyse et de surveillance de l'environnement, dépendance de la direction des applications militaires du Commissariat à l'énergie atomique (CEA), se concentre en particulier sur ce type de soubresauts plus ou moins nuisibles. "Le CEA possède une quarantaine de stations de mesures sismiques qui couvrent le territoire national, explique Élisabeth Blanc, chercheuse impliquée dans ces activités. En outre, nous recevons et traitons les données de nombreuses stations françaises ou étrangères avec lesquelles nous collaborons et qui se trouvent réparties sur les zones les plus actives de la planète." Enjeu, évidemment : l'identification de tout événement susceptible de venir perturber le fonctionnement des centrales nucléaires. Retombée concrète cependant, le circuit d'alerte a été sollicité par la SNCF afin d'en faire bénéficier ses TGV. En cas de menace dans la région des Alpes, les trains qui atteignent 300 km/h se trouvent instantanément ramenés à allure raisonnable ou stoppés.

03.Une méthode originale de surveillance

Intégration de DéméterIntégration du microsatellite Déméter le 9 décembre 2003 à Intespace (Toulouse).
© Emmanuel Grimault/Cnes
Avec Demeter, c'est un instrument de diagnostic de plus qui arrive à la disposition de la communauté. Il utilise une méthode de détection originale et, pour tout dire, encore un peu méconnue voire à consolider. Tout le monde connaît les effets des secousses telluriques : les perturbations du débit des cours d'eau, le comportement des animaux ou les dégagements de radon, gaz naturel radioactif. Beaucoup moins populaires, les conséquences décelées sur le champ magnétique et la capacité de résistance du sol sont bien réelles. À tel point que "dans les années quatre-vingts, trois chercheurs grecs - Varotsos, Alexopoulos et Nomicos, le “groupe VAN” - ont acquis une éphémère notoriété en prétendant qu'ils prédiraient les séismes à l'aide de mesures électriques", se rappelle Pascale Ultré-Guérard responsable de la géophysique interne et de la géodésie au Cnes. Chou blanc. Les auteurs se sont discrédités. Certes, les gros tremblements de terre du Chili en mai 1960 et d'Alaska en 1964 avaient été précédés d'ondes qui se propageaient jusqu'à la haute atmosphère quelques jours auparavant. Mais les signaux relevés étaient trop peu fiables.

Le rôle de la petite mission française dédiée aux effets électromagnétiques des bouffées de colère de la Terre sera de reprendre à zéro et de cerner l'ensemble des perturbations subies par la très haute atmosphère. L'environnement global de la planète est affecté par les éruptions volcaniques, les orages, les incursions de météorites, les fusées, les avions supersoniques et même les puissantes émissions radio de notre société. "Cela n'a pas empêché de détecter un signal à 81 kiloHertz de fréquence pendant le tremblement de terre de magnitude 6 de Suginami au Japon le 25 septembre 1980, relate Pascale Ultré-Guérard. Puis, le satellite franco-russe Aureol 3 a enregistré des variations temporelles à 800 Hertz lors d'une secousse de magnitude 5 survenue le 2 janvier 1982 dans l'océan Pacifique."

La réalité des signatures électriques des séismes n'est donc plus à démontrer. Il reste cependant à étudier de manière systématique comment elles se produisent. "Même l'origine précise de ces signaux amont ou aval demeure un peu mystérieuse, ajoute Pascale Ultré-Guérard. On pense à la propagation d'ondes électromagnétiques générées au sol par des déplacements de masse d'eau dans la roche ou bien à des vibrations acoustiques, à l'effet piézoélectrique (utilisé dans nos allume-gaz ménagers) et encore à des dégagements de gaz radioactifs. Tous ces phénomènes perturbateurs se solderaient par des contreparties à très haute altitude. Mais la vérité est que le processus reste mal élucidé."

04.120 kilos d'intelligence et de capteurs

Déméter au dessus du golfe de CorintheLe golfe de Corinthe, en Grèce, est la région la plus active d’Europe du point de vue des secousses telluriques. En 1996, ce site a été choisi pour installer un observatoire géophysique complet. Les données obtenues complèteront utilement celles de Déméter.
© David Ducros/Cnes
Avec sa taille modeste, Demeter n'aura pas de trop de ses capteurs multiples, de ses deux sondes de Langmuir (du nom d'Irving Langmuir, prix Nobel de chimie 1932), de son spectromètre à particules ou de son analyseur de plasma pour tenter de répondre à ces interrogations. Ses instruments ultrasensibles ont été conçus au laboratoire de physique et chimie de l'environnement d'Orléans, au Centre d'études spatiales et du rayonnement de Toulouse, et au Centre d'études des environnements terrestres et planétaires de Saint-Maur-des-Fossés. Des contributions sont aussi venues du Japon et de Pologne. Élisabeth Blanc, du CEA de Bruyères-le-Châtel, a participé aux premières étapes de définition de la mission. Elle aura à cœur d'utiliser la moisson de données collectées. Une expérience conçue dans son laboratoire a été également embarquée à bord de la Station spatiale internationale. Elle vise à étudier les phénomènes transitoires d'origine terrestre.

Le cosmodrome de Baïkonour est la plus grande base spatiale du monde. C'est de ce site légendaire que sont partis Spoutnik en octobre 1957 et Youri Gagarine en avril 1961. Les équipes d'Arianespace-Starsem, basées à Évry (Essonne), connaissent bien ces lieux où les températures évoluent entre 45 et - 40 °C. C'est de là que le Soyouz russe commercialisé par Starsem s'élance. Dnepr, lui, est un vecteur militaire. C'est-à-dire un ancien missile soviétique SS 18, alias "Satan" hérité de la Guerre froide et reconverti après les accords de désarmement. Il a volé près de 160 fois depuis les années soixante-dix, avec une fiabilité de 97 %, et 150 exemplaires restent disponibles. L'engin haut de 34 m et large de 3 m présente une masse de 200 tonnes. Il est tiré depuis un silo, expulsé par des gaz chauds sous pression. Le premier étage s'allume ensuite à 20 m du sol.

Hormis sa taille, le satellite Demeter est de facture assez classique. Le châssis est constitué d'aluminium et d'un matériau alvéolé en "nid d'abeille". Les quatre moteurs d'une poussée de 1 Newton ont été fournis par la société Snecma, dont le siège réside à Évry.

Une fois en service à 700 - 800 km d'altitude, Demeter bénéficie d'une vue imprenable sur la planète. "Par rapport aux mesures sol, il apportera la vision d'ensemble", commente Pascale Ultré-Guérard. D'où la somme d'informations attendue : "En deux ans, 1 400 gigaoctets de données devraient être transmises. De quoi remplir une collection de 350 DVD. Et les éventuels signaux avant-coureurs pourront être décelés cinq heures à l'avance, avec 10° d'écart en longitude et latitude, par rapport au centre actif." Ça n'a l'air de rien. Mais en mode "rafale", on recevra jusqu'à 18 mégabits de données par seconde.

Suite à bientôt quatre ans de collecte de données, l’ensemble peut être analysé avec de puissantes méthodes statistiques. Ces méthodes ont montré des effets quelques heures avant les séismes dans le champ électrique mesuré par Demeter. Ces effets restent inexpliqués à ce jour. Il faudra encore travailler pour confirmer que de tels signes seraient précurseurs des tremblements de terre.

Un espoir : anticiper les séismes et les éruptions

Des campagnes de mesures complémentaires sont organisées depuis le sol : dans le golfe de Corinthe, en Grèce, zone sismique la plus active d'Europe. Des capteurs électromagnétiques, sismomètres, gravimètres, détecteurs de radon et inclinomètres seront déployés. Des analyses chimiques seront conduites. En outre, d'autres satellites seront mis à contribution avec les systèmes de positionnement américains GPS (Global Positioning System) et français Doris (Détermination d'orbite et radio-positionnement intégré par satellite) afin d'établir des comparaisons et de dresser un diagnostic. L'ionosphère, riche en électrons, possède des propriétés conductrices bien connues des radioamateurs qui communiquent partout dans le monde aux grandes longueurs d'onde.

Question à 100 000 euros : alors, l'apport de Demeter permettra-t-il, oui ou non, d'enfin prédire l'imminence d'un cataclysme en gestation ? Verdict : "Certainement pas, juge avec prudence Pascale Ultré-Guérard. Nous n'en sommes qu'au tout début. Le microsatellite n'a pas une vocation de service opérationnel." Envolé les rêves d'alertes anticipées diffusées avec précision et en temps quasi-réel. "Le problème est lourd et complexe. Sa gestion exige des données fiables et un lien avec un centre de décision comme ce qui se fait dans les observatoires météo ou volcanologiques." Pourra-t-on un jour prédire la date, la magnitude et le lieu de survenue probable d'un sinistre annoncé ? "Peut-être. Mais les étapes à franchir d'ici là seront épineuses et nombreuses. La connaissance du déroulement des cycles - en particulier la phase de croissance avant la crise et les répliques ensuite - devra faire un énorme bond en avant. Il faudra au bout du compte disposer de paramètres de prévision maîtrisés et des critères de décision associés."

On n'en est pas là. Il faut se faire une raison. Cependant, la tendance de fond existe et prend peu à peu de l'ascendant. Après les instruments géants, vient la mode du "tout petit et puissant". Le microsatellite en fait partie à côté des mini plateformes Proteus, d'une capacité de 500 kilos, en service depuis 2001. On se prend à songer au temps où Camille Flammarion, Essonnien de renom, partait étudier le séisme de Nice. C'était en 1887. Depuis, le département cultive ses cerveaux et les liens avec les partenaires nationaux.

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