History of EOST Magnetic Observatories

[Translation in Progress]

1 - Les premières mesures magnétiques effectuées dans les îles subantarctiques

Les premières mesures magnétiques effectuées dans les îles subantarctiques sont liées aux voyages de découverte et aux grandes expéditions scientifiques des 19ème et 20ème siècles. Peu après leur découverte par Yves de Kerguelen de Trémarec , les îles qui portent son nom ont été visitées par Cook lors de son troisième voyage (en 1776, première mesure à terre, à Port Christmas, de la déclinaison magnétique). En 1840, J.C. Ross, en route vers l'Antarctique à la recherche du pôle magnétique sud, établit une station temporaire d'observation à Port Christmas. En 1857, la frégate autrichienne Novara fait escale à l'île Saint Paul et effectue des mesures de la déclinaison. En 1874, l'expédition du Challenger fait escale à Kerguelen et effectue des mesures à terre, mesures complétées par deux autres expéditions scientifiques organisées à l'occasion du passage de Vénus devant le soleil : les anglais s'installent sur le site de la Baie de l'Observatoire et les allemands à l'Anse Betsy. Des observations complètes (mesure des éléments du champ magnétique et de ses variations) sont effectuées. Durant le même temps, et dans le même but, une mission française, dirigée par Mouchez, établit une station d'observation à l'île Saint Paul. Plus tard l'expédition antarctique allemande du Gauss établit sur le site de la Baie de l'Observatoire, aux îles Kerguelen, le premier observatoire magnétique. Cet observatoire fonctionna de décembre 1901 à mars 1903. Les résultats ont été publiés en 1906. Par la suite, et jusqu'en 1957, seules des mesures occasionnelles furent effectuées aux îles Kerguelen : passage de l'expédition dirigée par D. Mawson en 1930 (BANZ Antarctic Expedition) et visites de plusieurs expéditions antarctiques australiennes (ANARE) de 1947 à 1951.

Pour l'Antarctique les premières mesures magnétiques dans le secteur de la Terre Adélie furent effectuées à Port Martin, base créée par les Expéditions Polaires Françaises, missions Paul Emile Victor, en 1950. L'observatoire magnétique, créé par P.N. Mayaud, fonctionna jusqu'en janvier 1952, date à laquelle la base de Port Martin fut détruite par un incendie.

2 - Création des observatoires magnétiques permanents dans les Terres Australes et Antarctiques Françaises

Les observatoires de Port-aux-Français (îles Kerguelen) et de Dumont d'Urville (Terre Adélie) ont été créés à l'occasion de l'Année Géophysique Internationale (AGI). L'observatoire de Port Alfred (île de la Possession, archipel Crozet), créé suite à une recommandation de l'Association Internationale de Géomagnétisme et d'Aéronomie (AIGA), a été ouvert en janvier 1974. A leur création ces trois observatoires étaient placés sous la responsabilité scientifique de l'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP). En 1979, l'AIGA a recommandé l'ouverture d'un observatoire magnétique permanent à l'île Amsterdam afin de combler une des lacunes importantes dans l'océan Indien ; l'observatoire de Martin de Viviès a été ouvert en avril 1981 par l'Ecole et Observatoire de Physique du Globe (EOPG maintenant EOST) à qui est confiée, depuis juin 1980, la responsabilité du programme d'observation dans les stations françaises de hautes latitudes.

Le fonctionnement des observatoires subantarctiques a été pris en charge jusqu'en 1991 par le Territoire des Terres Australes et Antarctiques Françaises (TAAF), les Expéditions Polaires Françaises (EPF) assurant la logistique des missions en Terre Adélie. Depuis 1992, l'Institut Français pour la Recherche et la Technologie Polaires (IFRTP), devenu depuis l'Institut polaire français Paul Émile Victor (IPEV) fournit le support logistique et financier nécessaire au fonctionnement des observatoires permanents implantés dans le Territoire des TAAF.

3 - L'instrumentation et les observations durant l'Année Géophysique Internationale

Durant l'AGI les observations magnétiques comportaient l'enregistrement continu des variations du champ magnétique terrestre (composantes H,D,Z ou X,Y,Z) à l'aide d'un magnétographe La Cour; des mesures absolues au théodolite Chasselon, au Q.H.M., à la B.M.Z. et à l'inclinomètre Cambridge.

Observatoire de Port-aux-Français aux îles Kerguelen :

La base de Port-aux -Français est située sur les plaines basses de la péninsule Courbet dans un repli du golfe du Morbihan. L'observatoire magnétique de Kerguelen a été installé sur le flanc ouest d'une petite vallée située à 300 mètres d'un bâtiment laboratoire de la base. Dans la région de Port-aux-Français le basalte des plateaux est généralement recouvert par des dépôts morainiques de quelques dizaines de mètres d'épaisseur  les basaltes affleurant près de la mer, à proximité des abris de mesures. Les abris de mesures absolues et du magnétographe La Cour, construits en 1957, étaient réalisés en panneaux de bois contrecollés de plaques isolantes et assemblés avec des pièces de bronze. Les appareils étaient posés sur des socles en béton traversant le plancher des abris. L'abri du magnétographe a été enterré partiellement et comportait un Z-mètre et deux variomètres horizontaux. L'abri des mesures absolues, éloigné de 30 mètres du magnétographe comportait trois piliers destinés à recevoir l'inclinomètre Cambridge, le Q.H.M. et le théodolite Chasselon  un pilier extérieur servait aux mesures à la B.M.Z. Dès l'installation d'importantes anomalies du champ magnétique, liées au socle basaltique à forte susceptibilité, ont été mises en évidence autour des abris. Les alentours de Port-aux-Français présentant partout le même caractère géologique, il était impossible d'éviter cet écueil. Les installations mises en place en 1957 sont restées en fonctionnement jusqu'en 1967, date à laquelle elles ont été partiellement rénovées.

Observatoire de Dumont d'Urville en Terre Adélie :

Durant l'AGI, l'observatoire de Dumont d'Urville, implanté sur un ilot côtier de l'archipel de Pointe Géologie en Terre Adélie, constituait l'observatoire principal ; une station temporaire d'observation (la station Charcot) étant implantée à 317 km au sud de Dumont d'Urville, sur l'inlandsis antarctique.

L'observatoire magnétique de Dumont d'Urville se composait de trois abris installés dans l'île des Pétrels à quelques centaines de mètres des bâtiments d'habitation de la base. L'un des abris, muni d'un sas d'entrée, contenait les trois variomètres et le magnétographe La Cour. Un abri plus petit protégeait le pilier de mesures absolues et un abri annexe, chauffé et muni du téléphone, permettait le stockage des appareils, des batteries et contribuait à la sécurité des observateurs pendant les périodes de fort blizzard. Les abris étaient construits en panneaux sandwich de 5 cm d'épaisseur constitués par une plaque de polystyrène expansé collée entre deux feuilles de contre-plaqué de 5 mm. La rigidité de l'ensemble étaient assurée par un cadre en frêne. Pour l'assemblage on avait utilisé des boulons et charnières en alliage léger et des grenouillères en bronze. Des joints en caoutchouc assuraient l'étanchéité. La violence des tempêtes en Terre Adélie rendait indispensable un amarrage trés solide réalisé avec des filins de chanvre amarrés grâce à des trous percés dans le rocher. Des anomalies magnétiques locales extrêmement importantes, liées à des filons de magnétite bien visibles en surface, ont été mises en évidence sur toute la surface de l'île des Pétrels et en particulier au voisinage des abris de mesure. Il était donc connu, dès la création de l'observatoire en avril 1957, que la valeur du champ moyen n'était pas représentative du champ magnétique à l'échelle régionale. Cependant les variations constatées au niveau des valeurs moyennes du champ pouvaient être considérées comme représentatives de la variation séculaire. On a rencontré, dans la mesure absolue des composantes du champ magnétique, d'importantes difficultés liées à la petitesse de la composante horizontale du champ magnétique et à l'agitation magnétique qui, durant les mois d'été est pratiquement permanente. Ces difficultés étaient connues puisque P.N. Mayaud les avait déjà rencontrées à Port Martin , station voisine de Dumont d'Urville, au cours de l'hivernage 1951-1952. Les mesures absolues étaient réalisées avec un Q.H.M. spécialement réalisé par P.A. Blum à l'IPGP et avec une B.M.Z. à grand champ. Un magnétographe La Cour, orienté en X,Y et Z, assurait l'enregistrement des variations du champ magnétique terrestre. L'observatoire a fonctionné, dans cette configuration, jusqu'en 1969.

4 - Les premiers dispositifs d'enregistrement numérique associés à des variomètres à aimant (1967-1972)

Dès 1966 le service des observatoires magnétiques austraux de l'IPGP expérimentait un dispositif d'acquisition numérique des variations lentes du champ magnétique terrestre. Les capteurs utilisés étaient, pour les composantes horizontales, des magnétomètres à contre-réaction de champ du type Dürschner, construits par Jolivet à partir de 1964. Les variomètres à aimant étaient associés à un magnétomètre à pompage optique (sonde à vapeur de Césium fournie par la société Varian) pour la mesure et l'enregistrement du champ total F. Un dispositif d'enregistrement numérique sur bandes perforée permettait l'échantillonnage de trois éléments du champ magnétique (H,D,F ou X,Y,F) chaque minute. Deux équipements de ce type ont été installés en 1967 (Kerguelen) et en 1969 (Terre Adélie). Les magnétomètres à contre-réaction de champ ont été installés dans de nouveaux abris thermostatés construits à partir d'une cellule autoportante amagnétique en résine incorporant une isolation thermique de 8 cm d'épaisseur. Ce type d'installation a fonctionné jusqu'en 1972.

Durant toute cette période les mesures absolues ont encore été effectuées à l'aide des appareillages classiques (Q.H.M., B.M.Z., théodolite Chasselon) complétés par un magnétomètre à protons à précession libre (ELSEC).

Les difficultés rencontrées pour la mise en oeuvre des magnétomètres à contre-réaction de champ (sensibilté aux variations de température en particulier) et pour assurer un fonctionnement fiable de l'enregistrement sur bandes perforées ont conduit à maintenir en fonctionnement, à titre de sécurité, les magnétographes La Cour installés à l'occasion de l'AGI.

5 - L'introduction des variomètres triaxiaux à vanne de flux à partir de 1972

Les progrès enregistrés à partir de 1970 en ce qui concerne les performances des magnétomètres à vanne de flux ont amené le service des observatoires magnétiques austraux de l'IPGP à s'intéresser à ce type de capteur. En collaboration avec CIT-ALCATEL, puis avec Thomson CSF, un variomètre triaxial d'observatoire a été développé (variomètre VFO 31). Le prototype de ce capteur a été expérimenté sur le terrain en 1971 à l'occasion d'une campagne de mesures d'un mois réalisée à l'île Heard pour étudier les variations magnétiques entre Kerguelen, Heard et les stations géomagnétiquement conjuguées situées dans la région d'Arkhangelsk en Union Soviétique. Les performances du variomètre à vanne de flux VFO 31 se sont avérées excellentes : résolution de 0,1 nT, stabilité à long terme meilleure que 3 nT par an. Deux variomètres VFO 31 ont donc été successivement installés à Kerguelen en 1972 puis en Terre Adélie en 1973. Les observatoires de Crozet (Port Alfred, en 1974) et de l'île Amsterdam (Martin de Viviès, en 1981) ont été équipés avec ces capteurs dès leur création. En France l'observatoire magnétique national de Chambon la Forêt adoptait le VFO31 comme variomètre de référence en 1979.

6 - L'enregistrement numérique des variations lentes du champ magnétique terrestre durant la période 1972-1987 : variomètre triaxial à vanne de flux, magnétomètre à protons à précession libre et dispositif d'acquisition numérique réalisé en logique câblée

En 1972 un dispositif d'acquisition numérique faible consommation, réalisé en technologie C-Mos a été associé aux variomètres VFO31. Dans le même temps on a remplacé les magnétomètres à pompage optique par des magnétomètres à protons à précession libre (matériel fourni par Geometrics et spécialement adapté pour obtenir une résolution de 0,25nT) pour l'enregistrement de l'intensité du champ total.

L'enregistrement a été effectué sur bandes magnétiques (1972-1978) et sur disques souples à partir de 1979. La cadence d'échantillonnage était fixée à deux secondes pour l'enregistrement sur bande magnétique et à une minute pour l'enregistrement sur disquette.

Les magnétographes La Cour installés à Kerguelen et en Terre Adélie ont été arrêtés définitivement en 1982 après plus de vingt années de fonctionnement continu.

7 - La création de deux observatoires magnétiques subantarctiques permanents (îles Crozet et île Amsterdam)

L'île de la Possession (150 km2 ), qui fait partie du groupe oriental des îles Crozet, est un strato-volcan complexe. La base Alfred Faure, à l'est de l'île, est située sur un plateau faiblement penté vers la mer constitué d'une série volcano-détritique résultant de l'érosion des empilements de coulées basaltiques (basaltes à olivine et pyroxène). Etablie dès 1964, la station magnétique de Port Alfred (île de la Possession) a d'abord été exclusivement utilisée pour l'étude des variations rapides du champ magnétique terrestre. A partir de 1972 on a progressivement mis en place les installations nécessaires à un observatoire magnétique permanent. Celui-ci a été ouvert en janvier 1974. Les abris des mesures absolues et des variomètres, réalisés suivant la même technique que ceux installés à Kerguelen et en Terre Adélie, ont été installés sur le plateau basaltique à 150 mètres d'altitude et à 300 mètres de la base vie. Le champ magnétique local dans l'environnement des abris de mesures est caractérisé par l'existence d'un fort gradient dû aux caractéristiques magnétiques des basaltes de surface. Le capteur triaxial VFO 31, orienté en H,D et Z a été mis en place dans l'abri régulé en température, les dispositifs d'enregistrement ont été installés dans un des bâtiments de la base Alfred Faure.

L'île Amsterdam (60 km2) est un volcan associé à une faille transformante active, les produits volcaniques sont de nature tholéiitique et correspondent à une source mantellique située à faible profondeur. La station permanente Martin de Viviès a été installée en 1950 dans la partie nord de l'île. Les abris de l'actuel observatoire magnétique ont été installés entre décembre 1980 et avril 1981 à une centaine de mètres d'un bâtiment laboratoire de la base Martin de Viviès. L'emplacement choisi, à 50 mètres d'altitude, correspond a un plateau légèrement incliné constitué de coulées et tunnels de laves basaltiques. La carte magnétique de la zone des abris apparaît très perturbée, il existe une différence de champ total de plus de 400 nT entre l'abri de mesures absolues et l'abri des variomètres, espacés de moins de vingt mètres. Il existe donc une forte hétérogénéité de la distribution des éléments du champ magnétique dans la zone des abris, il n'était pas possible d'échapper à cet inconvénient dans le périmètre accessible pour la mise en place des deux cellules autoportantes, amagnétiques et isolées thermiquement destinées aux mesures. Depuis sa création en avril 1981, les infrastructures de l'observatoire sont demeurées inchangées.

8 - Les nouveaux appareils de mesures absolues : le déclinomètre-inclinomètre à vanne de flux

Dès 1972 on s'était rendu compte de la nécessité de remplacer les appareils de mesures absolues classiques nécessitant des réétalonnages fréquents et d'emploi relativement délicat dans des observatoires éloignés où les observateurs, non spécialistes, étaient relevés annuellement. Après de nombreuses recherches (1976-1979) le service des observatoires magnétiques a mis au point un magnétomètre-théodolite portable à vanne de flux pour la mesure de la déclinaison et de l'inclinaison. Ce magnétomètre-théodolite a été réalisé à l'aide d'une sonde à vanne de flux, utilisée en détecteur de champ nul et montée sur la lunette d'un théodolite "seconde" magnétique. Les performances de cet appareil ont été testées préalablement à l'observatoire magnétique national de Chambon-la-Forêt et confirmées par la suite : la précision absolue est meilleure que 5 secondes d'arc pour les mesures de la déclinaison et de l'inclinaison. Le Déclinomètre-Inclinomètre à vanne de flux (D-I flux) a donc remplacé les étalons classiques à partir de 1980 dans les observatoires magnétiques austraux maintenus par l'EOPG et, un peu plus tard, dans les autres observatoires français. Une version spéciale, permettant la mesure directe d'un élément quelconque du champ magnétique a été développée en 1981 pour l'observatoire de Dumont d'Urville où la mesure de la déclinaison et de l'inclinaison est particulièrement délicate à cause de la proximité du pôle sud magnétique et de l'agitation magnétique. L'emploi des D-I flux s'est d'ailleurs généralisé dans la plupart des observatoires magnétiques modernes après 1986. Les électroniques des D-I flux construits par l'EOPG ont été modernisées une première fois en 1988 (version D-I Mag 88) ; puis à nouveau en 1993. En 1995-1996, l'EOPG et le Lviv Centre of Institute of Space Research of National Academy of Science of Ukraine (LCISR) ont réalisé conjointement un nouveau D-I flux, appelé LCISR/EOPG D-I meter, cet appareil utilise un théodolite seconde russe MG2KP spécialement transformé et un ensemble sonde et électronique à vanne de flux spécialement développé pour cette application. Au total près de trente D-I flux ont été construits par l'EOPG entre 1980 et 1996.

Au moment de la mise en service des Déclinomètres-Inclinomètres à vanne de flux dans les observatoires du territoire des TAAF, on a installé, en Terre Adélie et à Kerguelen, de nouveaux abris pour les mesures absolues et donc de nouveaux piliers. Ce que l'on appelle traditionnellement les repères de l'observatoire ont donc été changés, en 1973 à Dumont d'Urville, en 1972 puis, pour des raisons logistiques, à nouveau en 1988 à Port-aux-Français.

9 - Fonctionnement actuel des observatoires austraux français : la transmission des données en temps réel

Depuis l'installation des magnétographes la Cour pour l'AGI, l'évolution de l'instrumentation des observatoires français austraux a été principalement marquée par l'introduction des variomètres électroniques à vanne de flux, associés à des magnétomètres à protons, et par l'utilisation des magnétomètres théodolites D-I flux pour les mesures absolues. Ces deux principaux changements ont profondément modifié le fonctionnement des observatoires entre 1970 et 1980. De plus, durant cette période, les techniques d'enregistrement numérique transformaient également les méthodes d'exploitation des données recueillies.

A partir de 1988 les dispositifs d'acquisition évoluent très rapidement et utilisent une architecture type PC. Dans le même temps on effectue le remplacement progressif des magnétomètres à protons à précession libre par des magnétomètres à effet Overhauser dont la résolution est de 0,1 nT.

Equipés de façon homogène, les observatoires français austraux comportent aujourd'hui un magnétomètre vectoriel VFO 31, associé à un magnétomètre à protons à effet Overhauser, et un dispositif d'acquisition numérique construit à partir d'un ordinateur type PC xt. Les informations "champ magnétique", échantillonnées toutes les cinq secondes, sont enregistrées sur disque souple toutes les minutes en respectant les normes de filtrage et d'enregistrement fixées par le programme INTERMAGNET. L'enregistrement de valeurs instantanées, à la cadence de deux secondes, a été maintenu à Port-aux-Français et à Dumont d'Urville pour l'étude des variations rapides du champ magnétique terrestre ; les enregistrements correspondants sont effectués sur disques magnéto-optique.

Les mesures absolues de la déclinaison (D) et de l'inclinaison (I) sont effectuées avec le Déclinomètre-Inclinomètre à vanne de flux dans les observatoires des îles subantarctiques, avec le magnétomètre théodolite portable à vanne de flux pour la mesure des éléments du champ magnétique terrestre (X, Y et Z) à l'observatoire de Dumont d'Urville. Avec les appareils de la série D-I MAG les mesures de déclinaison et d'inclinaison sont réalisées avec une précision meilleure que cinq secondes d'angle. Utilisé en Terre Adélie, le magnétomètre théodolite portable à vanne de flux permet de réaliser la mesure directe de l'intensité des composantes horizontales X ou Y et verticale Z, grâce à un circuit de courant de compensation stable et ultralinéaire : dans ce cas, la calibration est contrôlée à chaque série de mesures par association avec un magnétomètre à protons. La précision des mesures directes des éléments X, Y et Z est de l'ordre du nanotesla. Les mesures de l'intensité du champ total F sont effectuées régulièrement au pilier de référence de l'observatoire -dit "pilier absolu"- à l'aide d'un magnétomètre à protons à effet Overhauser.

A partir de 1991 les observatoires français austraux ont rejoint le programme INTERMAGNET (réseau d'observatoires numériques sélectionnés transmettant leurs données en temps quasi-réel par voie satellitaire ou par Internet). L'observatoire de Port Alfred transmet ses données via Météosat depuis 1991, l'observatoire de Port-aux-Français via Météosat (1992) et Intelsat (1996), l'observatoire de Martin de Viviès via Météosat (1992) et GMS (1996) et l'observatoire de Dumont d'Urville via Inmarsat (1994).