Cette image patatoïde de la Terre dévoilée par la Nasa paraît absur...

En 1738, le scientifique français Pierre Bouguer, membre de l'expédition géodésique qui se trouve alors en Équateur, va réaliser une expérience fondamentale, devenue célèbre car elle constitue un jalon dans l'histoire de la gravimétrie et de notre compréhension de la répartition des masses dans la Terre.

Les débuts de la gravimétrie : une histoire de fil à plomb

Le physicien part d'une idée assez simple : puisqu'une montagne possède une masse considérable, elle doit donc exercer une attraction gravitationnelle sur les objets qui se trouvent à proximité. Or, Bouguer se trouve au pied des Andes, à proximité du Chimborazo, qui culmine à plus de 6 000 mètres. Pour tester sa théorie, Bouguer va donc mesurer la direction de la verticale, donnée par un fil à plomb, à différents endroits autour du massif, et la comparer à la verticale déterminée de manière astronomique.

Pierre Bouguer, par Jean-Baptiste Perronneau. © Public domain, via Wikimedia Commons

Les résultats sont notables : le scientifique constate bien qu'il existe une minuscule déviation entre les deux mesures. La conclusion est claire : la masse de la montagne attire vers elle le fil à plomb, entraînant de fait une déviation de la verticale. En d'autres termes, plus actuels, le vecteur g qui symbolise la direction de la pesanteur ne pointe pas toujours exactement vers le centre de la Terre comme on pourrait le penser. Sa direction est influencée par la répartition des masses à l'intérieur de la Terre. Or, notre Planète est loin d'être homogène.

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L'expérience du fil à plomb de Bouguer va avoir de nombreuses implications dans les sciences de la Terre, qui vont aider bien plus tard à établir la notion de géoïde.

Le géoïde ou comment illustrer l’hétérogénéité de la Terre

Le géoïde représente une surface équipotentielle du champ de gravité, c'est-à-dire qu'en tout point de cette surface (immatérielle), la valeur du champ est constante. On peut le visualiser comme la forme que prendrait la surface des océans si ceux-ci étaient uniquement soumis à la gravité terrestre, en l'absence notamment des effets des courants, des marées et des vents.

Schéma présentant les différentes surfaces de référence : 1. océans ; 2. ellipsoïde de référence ; 3. perpendiculaire à l'ellipsoïde de référence (pointillé) et perpendiculaire au géoïde (trait plein) ; 4. croûte ; 5. géoïde. © MesserWoland, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Le géoïde n'est donc pas la surface physique de la Terre et ne reproduit pas directement son relief. Ses ondulations résultent de la répartition très hétérogène des masses à la surface et à l'intérieur de la planète : montagnes, bassins océaniques, structures crustales, variations de densité du manteau, etc. Le champ de gravité varie ainsi d'un endroit à l'autre, entraînant des variations de hauteur du géoïde par rapport à un ellipsoïde de référence.

Des modèles de plus en plus précis construits grâce aux satellites

Notre connaissance de la forme du géoïde a considérablement augmenté grâce aux satellites, comme GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) et GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer). Ensemble, ces données ont permis de produire un modèle du champ de gravité terrestre actualisé (GOCO06s).

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La Nasa a récemment produit des visualisations qui permettent de se rendre compte de la forme du géoïde. Celle souvent mise en avant dans les médias est celle qui présente le géoïde terrestre sous la forme d’un patatoïde, mais attention : cette visualisation a été produite avec une échelle verticale exagérée d’un facteur 10 000 !

La surface du géoïde ne varie en effet qu’entre +85 mètres (en Islande) et -106 mètres (sud de l’Inde). Des variations qui sont totalement imperceptibles à l’échelle du Globe.

L’exagération verticale permet toutefois de mieux se rendre compte de l’impact de certaines structures tectoniques sur la forme du géoïde, alors que certaines anomalies comme celle de l’océan Indien ne trouvent pas de cause évidente à première vue et révèlent la complexité de l’architecture terrestre.