DECORTIQUAGES

Rotation terrestre : une journée dure 24 heures, c’est sûr ?

CNRS

 

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En analysant précisément les variations de la rotation de la Terre mesurées depuis les années soixantes, deux chercheurs de l’Université de Liverpool et de l’IPGP (CNRS, Univ. Paris Diderot, PRES Sorbonne Paris Cité) analysent des fluctuations de la longueur du jour imputables à la dynamique du noyau ou aux interactions  noyau-manteau. Cette étude a été publiée dans la revue Nature du 11 juillet 2013.

Les jours durent 24 heures. Quoi de plus rassurant? Si la Terre était une boule de pétanque infiniment lisse, faite d’un matériau homogène, inaltérable nous pourrions dormir tranquilles avec cette certitude. Hélas, l’amélioration des techniques de mesure depuis les années soixantes a révélé des fluctuations de la longueur du jour, c’est-à-dire du temps mis par la Terre à faire un tour sur elle-même. C’est ainsi, la rotation de la Terre n’est pas régulière, et la longueur du jour non plus. Qu’on se rassure, les fluctuations sont de l’ordre de 0,002 secondes, infimes pour nous, mais suffisantes pour que les géophysiciens puissent s’en servir pour mieux connaître les propriétés de l’intérieur de la planète.

Comment mesure-t-on la vitesse de rotation de la Terre?

Différentes méthodes sont utilisées, mais actuellement, c’est l’interférométrie à très longue base (VLBI en anglais) qui donne les résultats les plus précis. On se réfère aux quasars, objets astronomiques très lointains, considérés comme des points fixes dans le ciel. Leur distance est tellement grande qu’ils sont quasiment immobiles vus depuis la Terre (… encore  qu’on parvienne depuis quelques années à mettre en évidence un mouvement de certains quasars). La comparaison du temps mis par le signal reçu depuis un ensemble de quasars en différentes stations à la surface de la Terre permet de mesurer sa rotation et de suivre son évolution au cours du temps.

La contribution des différents réservoirs

La dynamique de la rotation de la Terre s’étudie généralement par le bilan de moment cinétique. Cette quantité se conserve comme l’énergie et représente la quantité de rotation d’un système. Souvenons-nous, il suffit au patineur tournant sur lui même de replier les bras près du corps pour tourner plus vite comme une toupie. Ainsi, si à une échelle de temps de plus courte que le siècle, le système Terre, incluant la graine, le noyau, le manteau, l’atmosphère, l’océan et l’hydrologie peut être considéré comme isolé (en dehors de l’influence de la Lune), son moment cinétique est constant mais est constamment échangé entre ces différents réservoirs qui sont eux-même fluctuants. Ce que nous observons comme longueur du jour est directement lié à la rotation du manteau, et est donc directement tributaire des échanges entre le manteau et les autres couches de la Terre.

Aux échelles de quelques années à quelques jours, l’interaction entre Terre et atmosphère domine les variations de rotation de la Terre, créant des variations de l’ordre de la milliseconde. La source de ces fluctuations est essentiellement l’effet de la pression atmosphérique sur la topographie. Ainsi lors d’un El-Nino par exemple, une forte dépression se crée à l’Ouest des Andes par la chaleur dégagée par l’océan plus chaud. Comme la pression est inchangée à l’Est, il en résulte un effet qui ralentit la Terre.
A l’échelle du siècle à la dizaine d’année, c’est l’interaction entre le manteau et le noyau qui explique les perturbations observées, de l’ordre de quelques millièmes de secondes. A très longue échelle de temps, l’hypothèse de système isolé n’est plus vérifiée, puisque la Lune ralentit petit à petit la rotation de la Terre. Ainsi, chaque réservoir contribue dans une bande de fréquences assez large aux  variations de la rotation de la Terre. En analysant finement ces variations et séparant les signaux, les géodésiens déterminent la contibution de chaque réservoir.

La dynamique du noyau

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  • Zoom sur la période 65-85 pour montrer la corrélation entre l’oscillation 5.9 ans et un histogramme des époques de jerks déterminées par ondelette. La longuer du jour (Lod) est représentée par la ligne noire, le taux d’obsevration des jerk est en pointillé.© Holme et de Viron Nature 2013

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  • Données de la longueur du jour (LOD), lissées et tendances retirée, représentée avec l’oscilation a 5.9 ans estimée (en pointille). Les lignes verticales montrent les meilleurs déterminations des dates de jerks géomagnétiques. © Holme et de Viron Nature 2013

Dans cette étude, les auteurs se sont intéressés à ce que la rotation de la Terre pouvait nous apprendre sur la dynamique du noyau. Afin d’isoler la contribution de l’interaction noyau-manteau dans la rotation de la Terre, ils ont retiré l’effet de l’atmosphère en utilisant les données de moment cinétique calculées par le National Center for Environmental Prediction (1). Un filtrage léger a terminé de préparer les données.

Ce nettoyage a permis de mettre en évidence une oscillation stable à une période proche de 6 ans (5,9), à laquelle se superposent de petits sursauts, connus en géomagnétisme sous le nom de jerks.  Cette oscillation était déjà connue d’après des études fréquentielles antérieures, mais sa mise en évidence dans la série temporelle permet d’en distinguer la régularité d’amplitude et de période, qui n’est pas compatible avec une origine solaire, comme cela avait été envisagé. Pour les auteurs, c’est donc dans les mouvements du noyau fluide et/ou dans l’interaction avec la graine qu’il faut en chercher l’origine.

La série produite a également permis de montrer que les jerks étaient associés à un saut dans la longueur du jour, alors que jusqu’ici, on pensait qu’ils correspondaient à une brusque accélération de la vitesse de rotation de la Terre. Un tel saut dans la longueur du jour implique un transfert quasi-instantané de moment cinétique du noyau vers le manteau ; ce type de transfert ne peut s’imaginer que par un brusque changement de l’inertie du manteau, tel qu’il se produit lors d’un séisme quand des masses sont brusquement redistribuées. Il apparaît probable que les jerks sont liés à un phénomène similaire mais d’un ou deux ordres de grandeur plus importants. Une explication possible pourrait être que, lors d’un jerk, un couplage local très intense attache soudain de la matière du noyau au manteau. Un raisonnement d’ordre de grandeur permet de montrer que ce type de phénomène est compatible avec les propriétés du noyau.

Pour en savoir plus:

(1) L’amélioration constante des modèles de  circulation globale de l’atmosphère, de l’océan et de l’hydrologie a  permis de grands progrès dans ce domaine, car on dispose à présent  d’évaluations du moment cinétique de ces fluides qui sont cohérentes sur  de grande échelle de temps et donc la précision commence à rivaliser  avec celle des données géodésiques. C’est en particulier vrai pour  l’atmosphère, où le modèle de réanalyse du National Center for  Environmental Prediction (NCEP) fournit l’essentiel des variables  d’intérêt depuis 1948, avec une résolution spatiale et temporelle tout à  fait suffisante pour étudier les variations de rotation de la Terre aux  échelles de temps de la dizaine d’années à quelques jours.  Les modèles  océaniques et hydrologiques fournissent également ce type de données,  mais leur précision n’est pas encore suffisante aux longues échelles de  temps.

Source(s):

Characterization and implications of intradecadal variations in length of day, R. Holme1 & O. de Viron2Nature 202, vol 499, 11 july 2013 1-School of Environmental Sciences, University of Liverpool, UK.

2-University of Paris Diderot, Sorbonne Paris Cit, Institut de Physique du Globe (UMR7154), Paris.

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