Gravimétrie

La force de pesanteur — qui permet de définir le poids d'un objet — nous maintient à la surface de la Terre et est la cause de la chute libre d’un corps proche de la surface de celle-ci. Cette force est proportionnelle à la masse : $\vec{F} = m \vec{g}$ , où $\vec{g}$ représente l’accélération de la pesanteur. La norme de cette accélération est la pesanteur g, mesurée à l’aide d’un gravimètre. C’est une grandeur physique qui varie dans le temps et l’espace. En effet, g dépend entre autres de la latitude, de la répartition des masses à l’intérieur de la Terre, de la rotation de la Terre sur elle-même (vitesse et position de l’axe de rotation), ainsi que de la position relative de la Lune et du Soleil, qui génèrent les forces de marée.

La détermination relative ou absolue de g revêt une importance capitale dans différents domaines de la recherche scientifique :

• En géophysique, on mesure les variations de pesanteur pour étudier les déformations tectoniques, le rebond postglaciaire, les marées, l’influence de l’atmosphère et de l’hydrosphère, ainsi que la structure du globe depuis la graine jusqu’à la croûte terrestre. Par ailleurs, l’analyse des variations locales de g a de nombreuses applications en géologie.

  

• En métrologie, g est appelé à jouer un rôle clé dans la nouvelle réalisation du kilogramme.
• Enfin, en géodésie, g est indispensable pour déterminer le géoïde et partant, les altitudes (le géoïde représente le niveau moyen des mers et son prolongement sous les continents).

L’Observatoire a acquis une réputation internationale dans tous ces domaines au niveau scientifique et en terme d’expertise technique. Il dispose à ces fins de gravimètres relatifs à ressort, de deux gravimètres relatifs à supraconductivité, ainsi que d’un gravimètre absolu.

Dans un gravimètre relatif, le déplacement d’une masse en suspension est proportionnel aux variations de g. Dans la plupart des cas, il s’agit d’instruments mobiles destinés aux mesures de terrain. À côté de ces gravimètres qui ne mesurent que les variations de g, le gravimètre absolu acquis par l'Observatoire en 1996 donne directement la valeur de la pesanteur avec une précision du milliardième (10^-9) g et permet notamment de contrôler les gravimètres relatifs. Dans un gravimètre absolu, la mesure de la distance parcourue en fonction du temps d’une masse en chute libre dans le vide fournit la valeur de la pesanteur g.

Le facteur d’étalonnage des gravimètres relatifs à ressort présente généralement des variations temporelles gênantes et les mesures dérivent fortement dans le temps. C’est pourquoi, l’Observatoire a installé en 1995 un gravimètre à supraconductivité à la station de Membach, près d’Eupen. Un autre gravimètre à supraconductivité a été installé à Rochefort fin 2014. Dans ces instruments, la suspension par ressort est remplacée par la lévitation magnétique d'une sphère engendrée par les courants permanents circulant à l'intérieur de deux bobines. L’ensemble, rendu supraconducteur et maintenu à une température de –269°C, assure une grande stabilité qui permet de mesurer les variations temporelles de g avec une précision cent fois plus élevée que celle des gravimètres à ressort conventionnels, et garantit une très faible dérive à long terme. Cependant, contrairement aux gravimètres à ressort, le gravimètre à supraconductivité n’est pas transportable.

Les mesures des gravimètres à supraconductivité et absolu permettent de mesurer des phénomènes à long terme, liés entre autres à une déformation lente du sol ou à des variations lentes du contenu en eau du sol. En tant qu’instrument de référence et de haute précision, le gravimètre absolu participe aussi à de nombreuses comparaisons internationales et fournit les points de base pour le réseau gravimétrique belge établi à l’aide de gravimètres à ressort.