Lorsque la Terre tremble, ou que des pluies diluviennes provoquent des inondations, les médias font fréquemment appel aux institutions scientifiques du plateau d’Uccle. Celles-ci, au nombre de trois, comprennent l’Observatoire Royal de Belgique (ORB), l’Institut Royal Météorologique (IRM) et l’Institut d’Aéronomie Spatiale de Belgique (IASB). L’ORB, fondé en 1826 par Adolphe Quetelet, est une des plus anciennes institutions scientifiques de notre pays. Installés initialement sur le territoire de Saint Josse-ten-Noode près de la Porte de Schaerbeek, tous les services de l’Observatoire seront transférés dès 1891 sur les hauteurs d’Uccle. En 1997, d’importants travaux de rénovation et d’agrandissement des bâtiments ont débuté, en accord avec le Service des Monuments et Sites. A l’étroit depuis de nombreuses années, l’Observatoire a inauguré ses nouveaux locaux au printemps 2000.
Lors de sa création en 1913, l’IRM se vit confier la météorologie, restée jusqu’alors sous la houlette de l’Observatoire. Cet institut, bien connu pour ses prévisions météorologiques et ses études climatologiques, s’intéresse également au magnétisme terrestre, au rayonnement solaire, ainsi qu’à l’étude de la chimie, de la radioactivité et de l’électricité atmosphériques.
Enfin, fondé en 1963, l’IASB est la plus récente de nos institutions scientifiques nationales et a compté parmi ses membres l’astronaute Dirk Frimout. Cet institut a pour mission l’étude des régions supérieures de l’atmosphère terrestre, mais s’intéresse également à l’espace interplanétaire et aux atmosphères planétaires.
L’Observatoire Royal de Belgique, riche d’une bibliothèque de 150.000 ouvrages, a réparti ses activités en quatre départements scientifiques :
Bien souvent, le public pense que les scientifiques de l’Observatoire contemplent le ciel étoilé. Cependant, le département des Systèmes de référence et de Géodynamique étudie principalement notre planète. Loin de fixer l’espace, les géophysiciens observent séismes et marées dans des caves ou des galeries, à l’abri des perturbations d’origine humaine ou naturelle.
Contrairement à ce que Jules Verne avait imaginé dans son roman « Voyage au Centre de la Terre », il n’y a pas de moyen de pénétrer physiquement à une profondeur significative à l’intérieur du Globe : actuellement, on n’est parvenu à forer que jusqu’à 12 km, alors que le rayon terrestre est de 6378 km.
Cependant, la Terre est soumise à de nombreuses contraintes internes et externes qui produisent des accélérations inertielles, des modifications de l’action des forces gravitationnelles et qui changent son orientation dans l’espace. Les observations des réponses de la Terre à ces forces sont utilisées pour l’étude de la structure interne du globe et fournissent aux théoriciens des contraintes essentielles à l’élaboration de leurs modèles.
Le département des Systèmes de référence et de Géodynamique étudie les réponses de la Terre dans trois échelles de temps distinctes : la séismologie s’intéresse aux vibrations de périodes inférieures à l’heure, les marées terrestres couvrent des périodes comprises entre 6 heures et plusieurs années, tandis que les recherches menées en matière de rotation de la Terre se rapportent aux périodes diurne, mensuelle, annuelle et séculaire.
Les lignes qui suivent décrivent plus en détail la sismologie et les marées terrestres. En particulier, nous allons nous intéresser à une station de mesures creusée dans la roche au milieu des bois, près d’Eupen.
Voici une trentaine d’années, l’Etat belge décide de rehausser le barrage de la Gileppe construit sous le règne de Léopold II. Comme il était prouvé que la création et le remplissage de certains barrages induit une réaction sismique, le Ministère des Travaux Publics installa une station de surveillance géophysique à Membach, entre les barrages de la Gileppe et d’Eupen. Cette station est composée de deux chambres auxquelles on accède par une galerie de 140 mètre de long. L’ensemble, doublé de béton, a été creusé entre 1975 et 1977 dans le schiste sous le plateau des Hautes Fagnes, à la limite du Pays de Herve.
Rapidement, les qualités de la station apparaissent. Sa position privilégiée la libère des nombreux parasites qui perturbent d’habitude la croûte terrestre (activité humaine et industrielle), et elle acquiert vite une excellente réputation au niveau international.
De ce fait, la station s’est vu doter d'instruments exceptionnels destinés à l’étude des variations de pesanteur et des séismes.
Membach est la meilleure des trente stations de surveillance de l’activité sismique gérées par l’Observatoire. Vingt-cinq d’entre elles se trouvent en Belgique, trois au Grand Duché de Luxembourg et deux aux Pays-Bas.
Ces stations sont tout d’abord destinées à la mesure de l’activité sismique de notre pays, modérée mais non négligeable. Beaucoup d’entre nous ont ressenti les secousses de Roermond, le 13 avril 1992, du Roeulx, le 20 juin 1995 ou d'Alsdorf, le 22 juillet 2002. Les plus anciens se souviendront peut-être du séisme d’Audenaerde, le 11 juin 1938, le plus fort enregistré ce siècle-ci en Belgique. Par ailleurs, le séisme de Liège du 8 novembre 1983, de faible magnitude mais très proche du centre ville, provoqua des dégâts pour environ 250 millions d'Euros. Par ailleurs, des études historiques et paléosismiques menées par l’Observatoire ont établi que l’occurrence d’un grand tremblement de Terre de magnitude supérieure à 6.0 n’est pas invraisemblable dans nos régions. Les dégâts provoqués par les séismes du Pas-de-Calais en 1580 et de la région de Verviers en 1692, ou encore des études géologiques qui ont montré la présence de failles actives dans le Limbourg, appuient cette hypothèse.
Sur bases de ces données paléosismiques, historiques et instrumentales, les sismologues de l’Observatoire travaillent actuellement à l’établissement dans nos régions de cartes d’aléa sismique, c’est-à-dire la probabilité de subir un séisme pendant un intervalle de temps donné.
D’aucuns pourraient s’étonner du grand nombre de stations de mesures, mais elles sont nécessaires pour localiser et déterminer avec précision (moins d’un km) l’emplacement et le mécanisme des foyers. En 1983, il n’a pas été possible de déterminer la profondeur du séisme de Liège, car l’Observatoire ne disposait que de 4 points de mesures.
Le réseau sismique belge contribue également à l’étude de la sismicité globale de notre planète. En effet, nos instruments mesurent annuellement plus de 3000 séismes répartis dans le monde, dont les données sont régulièrement confiées à des centres internationaux. Il peut s’agir d’événements légers dans les pays proches mais aussi de séismes lointains dont les ondes sismiques effectuent jusqu’à plusieurs reprises le tour de la Terre. Certains sont même assez puissants pour mettre la Terre entière en vibration, telle une cloche ébranlée par son battant. Ces oscillations, de périodes inférieures à l’heure, peuvent être observées de nombreux jours après un séisme, voire même pendant un mois.
On l’ignore souvent, mais deux fois par jour, la croûte terrestre monte et descend d’une quarantaine de centimètres à cause de l’attraction de la Lune et du Soleil, au même titre que la mer et les océans. Ces déformations, minimes par rapport au rayon terrestre de 6378 km, correspondent aux marées terrestres. Même s’il étonne souvent, ce phénomène est connu depuis longtemps. Déjà, les Romains avaient remarqué que le débit des sources changeait en fonction des heures de la journée, sous l’action des dilatations cubiques de la croûte terrestre. Par ailleurs, comme chacun le sait, les océans, mais aussi l’atmosphère sont également affectés par les forces de marées. En raison de la forme et des dimensions des bassins océaniques, et des déplacements des masses d’eau, ces phénomènes sont extrêmement complexes. Les marées terrestres et océaniques sont cependant très liées : par exemple, le poids des masses d’eau en mouvement sur le fond des mers engendre une déformation de la croûte terrestre qui se prolongeen pleine terre. A Bruxelles, par exemple, des 40 cm de marées terrestres, 2 cm seraient imputables aux effets océaniques, et ce phénomène atteint 20 cm à l’extrémité des Cornouailles.
L’intensité et la régularité des mouvements de marée varient et peuvent se traduire par d’infimes modifications de l’accélération de la pesanteur g. Pour les analyser, l’Observatoire royal a installé en 1995 à Membach un gravimètre à supraconductivité, dont il n’existe qu’une vingtaine d’exemplaires dans le monde. Le principe d’un gravimètre consiste à mesurer les effets de la variation de g sur une petite masse en suspension. Cependant, dans le cas de suspensions mécaniques à l’aide de ressorts, le facteur d’étalonnage présente des variations temporelles gênantes. De plus, les mesures des gravimètres à ressort dérivent fortement dans le temps, ce qui ne permet pas d’observer des phénomènes de périodes supérieures au mois.
C’est au cours des années ’60 que fut mis au point le gravimètre à supraconductivité. Dans cet instrument, on oppose à la force de pesanteur la force électromagnétique provenant de l’interaction entre une sphère métallique et le champ magnétique produit par une paire de bobinages. L’ensemble est rendu supraconducteur par immersion dans l’hélium liquide à –269°C. Comme il n’y a pas de dissipation d’énergie par effet Joule dans les métaux supraconducteurs traversés par un courant, celui-ci se maintient indéfiniment sans apport extérieur d’énergie. Le champ magnétique résultant présente alors une intensité et géométrie invariables. Cette stabilité permet des mesures des variations dans le temps 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. La moindre variation du champ de pesanteur tend à dévier la bille de sa position et crée proportionnellement une tension facile à mesurer.
Avec ce gravimètre, Membach s’inscrit depuis 1998 dans un programme international (le Global Geodynamics Project GGP) qui réunit la majorité des gravimètres à supraconductivité existant dans le monde. Grâce à ce réseau, les chercheurs s’échangent les données afin de découvrir ou mieux connaître des phénomènes qui affectent la pesanteur avec des périodes qui s’étendent de quelques minutes à plus d’un an. Parmi les recherches liées au GGP, notons l’amélioration des modèles d’effets de charge des marées océaniques, l’étude des vibrations de la croûte terrestre engendrées par les mouvements atmosphériques, ou encore l’observation des mouvements du noyau de fer et de nickel liquide, à 2900 km de profondeur.
Le gravimètre à supraconductivité est un instrument relatif, c’est-à-dire qu’il ne donne pas la valeur de g, mais seulement ses fines variations. En revanche, le gravimètre absolu acquis par l'Observatoire en 1996 donne directement la valeur de g et permet notamment d’étalonner, d’estimer et contrôler la dérive des gravimètres relatifs. Le gravimètre absolu mesure à 400 000 reprises la position d’une masse test pendant les 175 millièmes de seconde que dure sa chute. La mesure du temps de chute en fonction de la distance parcourue par l’objet fournit la valeur de la pesanteur g au milliardième près (à Membach, en fonction des saisons, la valeur corrigée de g varie de 9.810 467 20 à 9.810 467 30 m/s²).
A Membach, les comparaisons entre les gravimètres à supraconductivité et absolu permettent de vérifier leur dérive à long terme. Comme elle s’avère très faible, nous parvenons à mesurer des phénomènes à long terme, liés aux niveaux des barrages, à une déformation du sol (une élévation du plateau des Hautes Fagnes n’est pas à exclure) ou le mouvement du pôle. A ce sujet, il faut savoir que l’axe de rotation de la Terre se déplace annuellement de quelques dizaines de mètres à sa surface. Ce petit mouvement du pôle entraîne une variation de notre latitude, c’est-à-dire de notre distance à l’axe de rotation de la Terre, et donc de la force centrifuge liée à cette rotation. Ceci a pour effet de ne modifier que très légèrement le champ de gravité, mais assez pour que l’on puisse le détecter grâce aux gravimètres supraconducteurs et absolus.
Depuis 1999, un profil de stations gravimétriques absolues a été mis en place en Belgique et en Allemagne. Il s'agit de mettre en évidence les mouvements tectoniques lents dont les vitesses sont de l’ordre du millimètre par an. Par ailleurs, des mesures absolues entreprises le long de notre côte permettent d’observer et de mesurer précisément les variations séculaires du niveau moyen de la mer du Nord.
Comme les variations de pression atmosphérique, de température et d’humidité affectent les mesures sismiques et gravimétriques de précision, la station de Membach est également dotée d’hygromètres, thermomètres et baromètres.
Voilà comment, depuis une galerie blottie sous les Fagnes, l’Observatoire Royal de Belgique contribue à mieux connaître notre planète.