les nombreuses applications de l'horloge atomique

Les applications des horloges atomiques ont trait à 3 domaines principaux

  •  
    • Positionnement et navigation terrestre
    • Navigation spatiale
    • Tests et mesures du temps

Une grande partie de ces notions ont été abordées dans l’interview que nous a accordé M. JY Courtois, PDG de la société Orolia.

On peut retrouver son interview par notre groupe de TPE grâce au lien :

créer lien avec sjp Courtois

Mais aussi celle, plus orientée « business » de BFM :

 

 

 

·       POSITIONNEMENT

Sans horloge atomique le positionnement par satellite (GPS) ne pourrait pas exister.

 

 

 

 

 

 

 De quoi s’agit-il ?

Le positionnement par satellite consiste à définir précisément où et quand un événement est survenu.

Ainsi, on peut localiser précisément des hommes et des biens matériels en toutes circonstances.  Pour ce faire, on mesure la distance qui sépare le point d’émission d’un signal situé sur Terre et le point de réception de ce même signal par 4 satellites situés à une distance de 20 000 à 36 000 km de la surface de la Terre. Grâce à la mesure précise des distances séparant l’émetteur de chacun des satellites et par un système de triangulation, on peut localiser l’émetteur sur Terre.

 

 

Pourquoi faut-il mesurer le temps avec précision ?

Pour mesurer la distance séparant l’émetteur sur Terre du satellite, on mesure le temps ∆t séparant l’émission de la réception et on le multiplie par la vitesse de propagation du signal, c'est-à-dire la vitesse de la lumière (299 792,458 kms-1 soit environ

300 000 kms-1).

Si l’horloge qui mesure ce temps fait une erreur d’un millionième de seconde (10-6 s) l’erreur de distance est de 300 m ! C’est pourquoi les systèmes de positionnement par satellite (GPS), qui ont besoin de précision au mètre près ont à leur bord des horloges atomiques qui fonctionnement avec un précision d’une nano-seconde (10-9 s).

 

 

Quelques applications dans notre vie :

Les applications les plus connues sont :

·         les systèmes de navigation routière de type TOM-TOM, GARMIN, etc

·         les systèmes de navigation maritime fondés sur la localisation du navire

·         les balises de détresse permettant de localiser une situation de détresse :

o   navire en perdition,

o   marin tombé à la mer

o   victimes d’avalanche

·         les systèmes de surveillance :

o   bracelets pour prisonnier en situation de semi-liberté

o   surveillance de malades d’Alzheimer déclenchant des alertes si le malade sort d’un périmètre géographique précis

·         les outils de la logistique moderne :

o   suivi d’un colis important par un transporteur multi-modal (DHL, FedEx, …)

o   suivi de camions transportant des billets de banque, du combustible nucléaire, etc.

·         les applications militaires d’observation, surveillance localisation…

 

 

Découvrir :

·         le reportage de France Télévision sur le programme Galileo et son objectif en matière de geo-localisation: présenté en introduction à cette page

·         la description du système Galileo dans trois video didactiques de l’ESA (European Space Agency), dans un anglais simple et superbement illustrées : cliquez sur le lien ESA!

o   le programme Galileo 

o   les horloges atomiques dans le programme Galileo 

o   les satellites dans le programme Galileo 

 

·         un calcul simplifié des erreurs de localisation en cas d’erreur de mesure du temps : 2010 01 11 TPE geo-localisation.pdf

 

 

 

·       NAVIGATION

 

 

 

De quoi s’agit-il ?

Les applications de navigation consistent à suivre une position et calculer un itinéraire partout dans le monde et dans l’espace. Au-delà des systèmes de positionnement et de navigation terrestre, les horloges atomiques trouvent leur application dans la navigation spatiale. Par exemple lorsqu’on envoie des satellites ou des sondes pour explorer le cosmos…

Lorsque les agences spatiales des différents pays envoient des fusées, des navettes, des satellites ou des sondes à plusieurs milliers voire millions de km de la Terre, pour explorer les galaxies, pour observer des étoiles et tenter de comprendre la formation et l’évolution de l’univers, comment fait-on pour « piloter » ces engins et les faire naviguer dans l’espace ?

En fait, la sonde ou le satellite envoie des messages à la Terre, ces messages sont analysés et des ordres sont alors envoyés à la sonde : « prendre des photos, tourner à droite, déployer un panneau solaire, etc. »

 

Pourquoi faut-il mesurer le temps avec précision ?

Pour que l’ordre soit pertinent et parvienne à la sonde, il faut être capable de localiser la sonde ou le satellite au cm près alors qu’il est situé à plusieurs millions de km de la Terre et que le signal émis de Terre (et voyageant pourtant à la vitesse de la lumière) peut mettre plusieurs heures pour atteindre la sonde… La précision nécessaire de la mesure du temps est alors de l’ordre de 10-15 seconde.

 

Quelques applications dans notre vie :

Les applications dans notre vie sont moins immédiates que dans les 2 autres domaines ; toutefois ce que nous apprenons sur les pulsars, trous noirs sur l’évolution de l’univers, les images de Mars, Vénus, de galaxies très éloignées publiées dans les revues grand public et spécialisées seraient impossible sans les horloges atomiques permettant les mesures ultra-précises de distances, grâce à des mesure du temps à 10-15 seconde.

 

 

·    TESTS ET MESURE DU TEMPS

 

 

 

 

 

De quoi s’agit-il ?

Les applications de tests et mesure du temps permettent de synchroniser et mesurer exactement le temps et la fréquence à tout instant.

Alors que les 2 domaines d’application précédents consistent principalement à utiliser la mesure du temps pour apprécier précisément des distances en fonction de la vitesse de la lumière, ici l’objectif est de mesurer ultra-précisément des durées, des fréquences, des dates…

Les applications de ces mesures se retrouvent par exemple dans :

·         Les télécommunications

·         La recherche scientifique

·         L’astronomie

 

1.      Les télécommunications

 

Pourquoi faut-il des horloges atomiques dans les télécommunications ?

Les télécommunications modernes consistent à transmettre d’énormes paquets de données au travers de réseaux physiques (fibre optique) ou virtuels. Comme c’est le cas en matière de transport ferroviaire ou aérien il existe des contrôleurs qui s’assurent du respect des horaires de transfert pour éviter les collisions entre les paquets de données transitant sur les réseaux. Mais alors que dans le transport terrestre la précision des horaires et des durées est suffisante à la seconde voire au 1/10 eme de seconde, en matière de télécommunications la précision est nécessairement à 10-6 ou 10-9 seconde. Revoilà donc nos horloges atomiques !

 

Quelques applications dans notre vie :

Elles sont partout les horloges atomiques dans notre vie, par exemple :

·         Ordres de bourse et mouvements de capitaux mondiaux

·         Paiements par carte bancaire

·         Télévision par satellite

·         Téléphonie

·         Télévision sur mobile

·         TNT

 

 

2.      La recherche scientifique

 

Pourquoi faut-il des horloges atomiques en recherche scientifique ?

Quand on étudie l’infiniment petit, que l’on travaille en physique nucléaire, en mécanique quantique, les expériences menées nécessitent des précisions de mesure des durées ou des fréquences du même ordre de grandeur que celui des « objets » étudiés. Seules les horloges atomiques ont cette précision.

 

Quelques applications dans notre vie :

L’application évoquée n’est pas à proprement parler visible dans nos vies, toutefois des chercheurs vont tester certains éléments de la théorie de la relativité générale d’Einstein en installant une horloge de très haute précision à l’extérieur du laboratoire européen Columbus de la Station spatiale internationale (ISS).
 Le Projet d’Horloge Atomique par Refroidissement d’Atomes en Orbite (PHARAO) sera associé à une autre horloge atomique, le Maser spatial à Hydrogène (SHM), pour former l’Ensemble Horloge atomique spatiale (ACES) de l’ESA, qui affichera une précision de 1x10-16, soit une erreur de temps de l’ordre de 1 seconde sur 300 millions d’années.

 

 

 

Découvrir :

·         Le projet ACES auquel est associé la société Orolia dont le Président M. Courtois nous a accordé une interview : Aces Pharao atomic clock.pdf

·         A VOIR ABSOLUMENT! Une présentation (très complexe mais remarquablement illustrée) du Laboratoire Kastler Brossel, Ecole Normale Supérieure sur le programme ACES où l'on peut voir que les prix Nobel de Physique peuvent avoir le sens de l'autodérision: horlogesfin-1-.pdf  

 

 

3.      L’astronomie

 

Pourquoi faut-il des horloges atomiques en astronomie ?

De façon évidente pour aider à apprécier les distances, mais ce n’est pas ce point que nous souhaitons évoquer ici, mais plutôt l’impact de l’astronomie sur la mesure du temps et plus précisément sur la détermination du temps universel.

 

Quelques applications dans notre vie :

Une année, c’est le temps que met la Terre pour tourner autour du soleil, 24 heures c’est le temps que met la Terre pour tourner sur elle-même…enfin pas tout à fait !

Le mouvement de la Terre autour du soleil, si on le mesure précisément est chaotique ! De même la Terre tourne de moins en moins vite dans le temps…C’est pourquoi, à partir des mesures astronomiques, il convient d’injecter 1 seconde dans le temps universel tous les 2 ou 3 ans, faute de quoi dans plusieurs milliers d’années on trouvera midi à quatorze heures !

Cette manipulation consiste à rajouter 1 seconde aux horloges atomiques qui donnent le temps universel défini pour le monde entier au Bureau International de Poids et Mesures de Meudon en France. Ainsi a-t-on ajouté une seconde au Temps Universel le 31 12 2008. On imagine aisément les conséquences de cette seconde supplémentaire sur toutes les applications que nous avons définies plus haut. Un vrai casse tête pour les scientifiques mondiaux.

 

Découvrir :

·         Les instructions pour ajouter une seconde au Temps Universel :  Une minute de 61 s.pdf 

 

 

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