Qu’arrive-t-il à Google Maps lorsque les plaques tectoniques se déplacent ?

Les tremblements de la Terre peuvent modifier les coordonnées GPS.

En tant qu’écrivain spécialisé en physique, George Musser suit toujours à la recherche de nouvelles métaphores pour comprendre la théorie générale de la relativité d’Einstein. En travaillant sur son dernier livre, Spooky Action at a Distance, il a pensé comparer la déformation de l’espace et du temps au mouvement des plaques tectoniques de la Terre.

Einstein a expliqué que la gravité était la flexion de l’espace-temps. Une balle de baseball bien frappée fait un arc dans l’air jusqu’au gant d’un joueur de champ parce qu’elle suit les contours de l’espace-temps, que la masse de la planète a resculpté. La mutabilité de l’espace-temps signifie également que rien dans l’univers n’a une position fixe, puisque le cadre par lequel la position est définie est fluide. Et quelque chose comme cela est également vrai pour la surface de la Terre. Rien au sol n’a de coordonnées fixes car le paysage est en perpétuel changement.

Mais il a été frappé par le fait que si rien n’a de coordonnées fixes, comment Google Maps, les systèmes de navigation automobile et tous les autres services de cartographie vous permettent-ils d’arriver à destination ? Ils doivent sans doute continuer à mettre à jour les coordonnées des lieux, mais comment ? 
Il s’est dit qu’il allait rapidement chercher la réponse sur Google et qu’il reviendrait vers Einstein, mais une recherche a donné remarquablement peu de résultats sur le sujet. Ainsi, comme cela arrive malheureusement souvent dans la vie, ce qu’il pensait prendre 30 secondes a fini par prendre plusieurs jours. Il a découvert une importante infrastructure de géographes, de géologues et de géodésiens qui s’emploient à garantir l’exactitude des cartes. Mais ils sont toujours un pas derrière le paysage agité. L’activité géologique peut créer des erreurs importantes dans les cartes qui s’affichent sur vos écrans.

L’une des personnes à qui il a parlé était Ken Hudnut, de l’United States Geological Survey, un chercheur en tremblements de terre qui avait mis en place l’un des premiers réseaux GPS pour suivre les mouvements des plaques. « Dites que vous vous tenez en plein milieu d’une intersection de route avec votre récepteur GPS et vous obtenez les coordonnées de votre position », a-t-il dit. « Vous regardez Google Earth, et au lieu d’être situé au milieu de l’intersection de la route, vous vous trompez d’une certaine manière. » Plusieurs facteurs sont à l’origine de ces erreurs. Les appareils GPS grand public ont une incertitude de position de plusieurs mètres ou plus (représentée par un cercle dans Google Maps). Ce que l’on sait moins, c’est que les cartes et les images satellites sont généralement désalignées d’une quantité comparable. « C’est en partie le matériel GPS qui limite la précision, et en partie aussi la qualité du géoréférencement », a déclaré M. Hudnut.

Une étude intéressante, bien que datée, de 2008 a examiné les images de Google Earth dans 31 villes du monde développé et a trouvé des erreurs de position allant de 1 à 50 mètres. Il n’est pas difficile de faire ses propres expériences. L’image ci-dessus montre sa position dans Google Maps alors qu’il était debout sur sa terrasse arrière – une différence d’environ 10 mètres, beaucoup plus grande que le cercle d’erreur indiqué. Lorsqu’il va sur Google Earth et qu’il compare des images prises à des dates différentes, il constate que sa maison saute de 20 mètres.

Si vous aviez été attentif, vous vous seriez réveillé pour constater que votre maison n’était plus à la même latitude et longitude.

Dans le grand schéma des choses, ce n’est pas beaucoup, mais cela vous met en garde contre les niveaux de zoom élevés. Hudnut dit qu’il voit tout le temps des bêtisiers dans son travail de terrain. Avec les progrès de la technologie, nous allons tous en faire autant. « Nous approchons rapidement du jour où les gens s’attendront à des précisions de l’ordre du centimètre en temps réel sur leurs appareils portables et où nous verrons beaucoup de gens se gratter la tête lorsque les choses ne seront plus alignées », a déclaré Dru Smith du National Geodetic Survey à Silver Spring, dans le Maryland, le géodésien civil en chef de la nation – le gars à qui il faut s’adresser pour connaître la forme et la taille précises de notre planète.

Dans la plupart des cas, les désalignements ne représentent pas de véritables changements géologiques, mais se produisent parce qu’il est difficile d’appliquer une image aérienne ou orbitale sur la grille de latitude et de longitude. L’image doit être alignée avec des points de référence établis au sol. À cette fin, la NGS entretient un réseau de stations GPS fixes et, au cours des deux derniers siècles, elle a parsemé le terrain de marques d’arpentage – en général des disques métalliques montés sur le substratum rocheux exposé, des piliers en béton et d’autres structures fixes. La photo ci-dessous en montre une près de chez lui. Mais le processus de vérification d’une carte sur le terrain n’est jamais parfait. De plus, les coordonnées des marques de repérage peuvent être imprécises ou carrément fausses.

La NGS et d’autres agences ne revérifient que très rarement les notes d’enquête, alors quelle chance qu’une communauté de passionnés – les géocacheurs – le fasse pour le plaisir. « L’une des nombreuses choses à faire pour lesquelles nous n’avons plus d’argent est d’envoyer des gens pour s’assurer que ces marques sont toujours là », a déclaré M. Smith. « Les géocacheurs, par cette création d’une nouvelle récréation de sortir et de trouver ces marques, envoient des tonnes de rapports. … Il nous a été utile de tenir à jour les récupérations de marques ».

Des erreurs se glissent également parce que la grille de latitude et de longitude (ou « datum ») n’est pas donnée par Dieu, mais doit être rattachée à un modèle de la forme de la planète. C’est là que la tectonique des plaques peut se faire sentir. Il est déroutant de constater que les États-Unis utilisent deux référentiels distincts. La plupart des cartes sont basées sur le NAD 83, développé par la NGS. Google Maps et le GPS s’appuient plutôt sur le WGS 84, maintenu par une agence militaire parallèle, qui dispose d’un budget considérablement plus important. La carte civile est optimisée pour les repérages en Amérique du Nord ; la carte militaire sacrifie la précision nationale pour une couverture mondiale.

Lorsque le NGS a introduit le NAD 83, en remplacement d’un ancien système de référence datant de 1927, c’était la version géographique du passage du calendrier julien au calendrier grégorien. Si vous aviez été attentif, vous vous seriez réveillé le 6 décembre 1988 pour constater que votre maison n’était plus à la même latitude et longitude. Le décalage, qui pouvait atteindre 100 mètres, reflétait un modèle plus précis de la forme de la Terre. Des vestiges de l’ancien système de référence subsistent. Vous voyez encore des cartes basées sur le NAD 27. De plus, lorsque la marine américaine a développé le premier système de navigation par satellite dans les années 1960, les ingénieurs ont fixé l’emplacement de zéro degré de longitude en extrapolant l’ancien référentiel nord-américain. Ce n’est que plus tard qu’ils ont découvert qu’ils avaient dessiné le méridien à environ 100 mètres à l’est du repère historique du premier méridien à l’Observatoire royal de Greenwich.

La NGS et son homologue militaire ont travaillé ensemble pour aligner leurs systèmes de référence respectifs, mais les deux systèmes se sont éloignés l’un de l’autre depuis, créant un décalage entre les cartes et les coordonnées GPS. La tectonique des plaques est l’une des raisons de ce décalage. Le WGS 84 est une norme mondiale qui n’est liée à aucune plaque. Elle est essentiellement fixée à l’intérieur profond de la Terre. Les géodésiens qui cherchent à démêler la latitude et la longitude des mouvements d’une plaque particulière supposent que les plaques tectoniques sont comme des engrenages qui s’emboîtent – quand on se déplace, tout s’emboîte – et que, si on additionne toutes leurs vitesses de rotation, elles devraient s’additionner à zéro. Le fait de ne pas lier les coordonnées à une plaque a pour effet que les positions relevées, et les cartes qui en découlent, changent avec le temps.

En revanche, le NAD 83 se trouve au sommet de la plaque nord-américaine comme un filet de pêche posé sur le pont d’un bateau. Lorsque la plaque se déplace, le système de référence se déplace aussi. D’autres régions du monde ont également leurs propres systèmes de référence locaux. Ainsi, les conducteurs peuvent trouver leur chemin et les géomètres peuvent tracer leurs limites de propriété dans l’ignorance heureuse des mouvements tectoniques et polaires à grande échelle. « La plupart des géomètres et des cartographes seraient heureux de vivre dans un monde où les plaques ne bougent pas », a expliqué M. Smith. « Nous ne pouvons pas arranger cela, mais nous pouvons fixer le système de référence de manière à ce que l’effet ne soit pas ressenti par le nombre prédominant d’utilisateurs. … D’une manière générale, un point du Kansas ayant une certaine latitude et longitude cette année avait exactement la même latitude et longitude il y a 10 ans ou dans 10 ans. … Nous essayons de rendre la planète non dynamique ».

Afin d’approfondir la divergence des données, le NAD 83 n’a pas été remanié pour tenir compte de l’amélioration des connaissances sur la forme et la taille de la Terre. « Nous travaillons actuellement avec un système qui est très cohérent et très précis en interne, mais nous savons, par exemple, que la coordonnée (0,0,0) de NAD 83, qui devrait être le centre de la Terre, est décalée d’environ deux mètres », a déclaré M. Smith. Le compromis pour satisfaire les géomètres est que la grille de latitude et de longitude de l’Amérique du Nord est de plus en plus désynchronisée par rapport au reste du monde (comme le montre ce diagramme ci-dessous, dans lequel vous pouvez voir comment la plaque nord-américaine tourne autour d’un point du Yucatán). La NGS prévoit une mise à jour en 2022, qui décalera les points du continent d’un mètre ou plus.

Le « reste du monde » comprend la Californie du Sud, qui est à cheval sur les plaques nord-américaine et pacifique. La plaque du Pacifique se déplace de quelques centimètres vers le nord-ouest chaque année par rapport au reste de l’Amérique du Nord. La limite de la plaque n’est pas nette, de sorte que la quantité réelle de mouvement varie de manière compliquée. Le Centre de référence spatiale de Californie à La Jolla dispose d’un réseau de stations de suivi et met périodiquement à jour les coordonnées des points de référence dans l’État. « C’est ce que les géomètres utilisent ensuite pour se relier au NAD 83 », a déclaré le directeur du centre, Yehuda Bock. La dernière mise à jour date de 2018.

Comme Smith, Bock affirme qu’une mise à jour plus fréquente compliquerait en fait les choses : « Les géomètres n’aiment pas que les coordonnées changent, donc c’est une sorte de compromis. » Pour le tracé de lignes localisées, cela n’a pas beaucoup d’importance, mais les projets à grande échelle comme le système ferroviaire à grande vitesse de Californie doivent suivre le mouvement tectonique.

Les choses deviennent évidemment plus intéressantes lors de tremblements de terre. « Ce que ferait le tremblement de terre est l’équivalent de ce que vous faites avec une paire de ciseaux, si vous coupez en diagonale une carte le long d’une ligne de faille et que vous glissez ensuite un côté de la carte par rapport à l’autre », a déclaré M. Hudnut. Par exemple, dans Google Earth, allez aux coordonnées suivantes au nord de Palm Springs, près de l’épicentre du tremblement de terre de Landers en 1992 : 34,189838 degrés, -116,433842 degrés. Faites apparaître l’imagerie historique, comparez les images de juillet 1989 et de mai 1994, et vous verrez un décalage latéral le long de la faille qui va du haut à gauche au bas à droite de l’image. L’alignement de la route d’Aberdeen, qui traverse la faille, se décale sensiblement. Le tremblement de terre a déplacé de plusieurs mètres les terres situées à proximité de la faille.

Les réseaux GPS peuvent même voir les tremblements de terre en temps réel. Une vidéo dramatique du tremblement de terre de Tohoko de 2011, réalisée par Ronni Grapenthin à l’Université de Californie, Berkeley, à partir de données de l’Autorité japonaise d’information géospatiale, montre que le littoral près du site du tremblement de terre se déplace horizontalement de 4 mètres. La vidéo montre également les vagues qui ont déferlé sur le Japon (et même sur le monde).

Les ajustements pour l’activité tectonique prennent du temps à filtrer jusqu’aux cartes. Musser s’est entretenu avec Kari Craun, qui, en tant que directeur du centre national d’opérations techniques géospatiales de l’USGS près de St. Louis, est chargé de produire les cartes topographiques de l’USGS tant appréciées des amateurs de plein air. Selon elle, les cartes sont mises à jour tous les trois ans (et même ce rythme a été difficile à maintenir avec les réductions budgétaires). Entre les deux, les cartographes estiment que l’erreur est noyée dans l’imprécision de la cartographie et du matériel GPS. Les futures cartes pourraient être mises à jour à un rythme plus proche du temps réel. « Nous disposons maintenant de la technologie nécessaire avec le GPS pour pouvoir effectuer ces légers ajustements plus fréquemment », a déclaré M. Craun.

En tant que personne qui s’appuie sur Google Maps pour se déplacer, Musser est impatient de le faire. Mais le romantique en lui préfère voir des cartes périmées. Elles ne nous permettent jamais d’oublier le dynamisme de notre planète.

Via Nautil.us

Voici un paradigme de la technologie : être précise et juste au moment présent, mais qu’en est-il de l’histoire ? La géographie et l’histoire sont intimement liées, alors comment Google Maps peut offrir ce service d’un intérêt fondamentalement humain de garder les contours du passé ??

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