Rotation de la Terre

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Animation montrant la rotation de la Terre vers l'Est.
Diagramme présentant le mouvement de rotation d'un solide indéformable comme la combinaison de trois mouvements : la rotation propre R (en vert), la précession P (en bleu) et la nutation N (en rouge).

La rotation de la Terre est un mouvement de la Terre qui peut être défini, en première approximation, comme le mouvement de rotation de la Terre sur elle-même autour de l'axe des pôles géographiques qui relie le pôle Nord au pôle Sud. Elle ne doit pas être confondue avec la révolution de la Terre, mouvement avec lequel elle se conjugue et qui peut être défini, en première approximation, comme le mouvement de translation elliptique de la Terre autour du Soleil.

La rotation de la Terre est un mouvement complexe qui peut être décrit comme la combinaison de trois mouvements : la rotation propre, mouvement circulaire autour de l'axe ; la précession, mouvement conique décrit par l'axe autour de sa position moyenne ; et la nutation, oscillation de l'axe. Le mouvement de nutation peut lui-même être décrit comme la combinaison de plusieurs nutations dont la principale, dite de Bradley, a une amplitude de 9,2 secondes d'arc et une période de 18,6 ans.

La Terre accomplit un tour sur elle-même, d'ouest en est (sens direct), par rapport au système de référence céleste (jour stellaire ou jour sidéral) en un petit peu moins de 86 164,1 secondes, soit 23 h 56 min 4,1 s.

Le temps de faire une révolution autour du Soleil (soit 31 556 925 s), la Terre fait un petit peu plus de 366,24 de ces tours (jours sidéraux) sur elle-même, soit une année sidérale[1]. La combinaison des deux mouvements fait que le Soleil semble tourner 366,24 - 1 = 365,24 fois autour de la Terre (jours solaires de 86 400 s en moyenne) en une année.

Comme la Terre n'est pas rigoureusement un solide massif indéformable, le concept de vitesse de rotation angulaire doit être soigneusement défini par des géodésiens et des astronomes, puis mesuré. Ce service est effectué par l'IERS (International Earth Rotation Service), qui met en ligne toutes les données connues.

La vitesse de rotation oscille de manière irrégulière. Dans la période de rotation (longueur du jour), on observe principalement une variation saisonnière d'environ un millième de seconde (ms) et des changements décennaux (entre 10 et 70 ans) de l'ordre de cinq millisecondes. De plus, les actions du soleil et de la Lune sur le soulèvement de la marée produisent un couple retardateur qui induit une augmentation séculaire de la durée du jour d'environ deux millisecondes par siècle et un éloignement de la Lune de 3,84 centimètres par an (voir Rotation synchrone).

Par rapport aux étoiles, l'axe de rotation balaye en 25 800 ans un cône axé sur les pôles du plan de l'écliptique (l'axe perpendiculaire à l'orbite terrestre), dont le demi-angle angle au sommet — l'obliquité de l'écliptique — vaut environ 23°26'. À ce mouvement, la précession, se superposent de petites oscillations périodiques, les nutations, dont la principale, en 18,6 ans, a une amplitude de 20". La précession-nutation est provoquée par l'action gravitationnelle conjointe de la Lune et du Soleil sur le bourrelet équatorial de la Terre, et de ce fait, fait l'objet de modèles relativement précis, donnant la position spatiale de l'axe de rotation à la milliseconde de degré près.

L'axe de rotation oscille également dans la Terre de 1" au plus, principalement aux périodes de 430 jours et 365 jours.[pas clair]

Le pôle de rotation est l'intersection de l'axe de rotation avec la surface de l'hémisphère nord. À l'heure actuelle la direction du pôle dans l'espace comme dans la Terre est mesurée avec une précision de l'ordre de 0,1 milliseconde d'arc.

Origine[modifier | modifier le code]

On considère que les planètes se forment en même temps que leur étoile, par accrétion et condensation d'un nuage de gaz et de poussières sous l'influence de la gravitation. Tous les modèles de formation planétaire commencent donc par la formation d'une, voire de deux ou plus, étoiles au sein d'un effondrement, suivie par l'accrétion des poussières dans le disque résiduel circumstellaire (extrait de planète).

Il est statistiquement peu probable que la somme des moments angulaires (moment angulaire) de chacune des particules ou météorites du disque circumsolaire qui a engendré la Terre par accrétion soit nul. De plus, en se rapprochant de ce qui sera le centre de la future planète, les constituants accélèrent leur vitesse angulaire pour respecter le principe de conservation de la quantité de mouvement. La future planète tournera donc dans le sens de la somme des moments individuels et plus vite que la somme des vitesses.

Une partie de l’énergie mécanique d’accrétion (frottement) sera transformée en chaleur. L’élévation de température consécutive, si elle n’a pas permis de démarrer une réaction nucléaire a tout de même ramolli la Terre. Les forces conjuguées de la gravitation (forme sphérique) et de la force centrifuge (bourrelet à l’équateur) ont modelé cette forme que nous lui connaissons aujourd’hui avec cette vitesse de rotation conservée jusqu'à nous et que nous appelons "un jour", dans la direction approximative de l'étoile polaire et de ce côté que nous appelons l'est.

Difficulté de définition[modifier | modifier le code]

Par analogie, lorsque l'on observe un essaim d'abeilles, son mouvement global de translation, par le vent par exemple, est facile à définir ; mais son mouvement intrinsèque de rotation, lié aux mouvements des abeilles, l'est moins.

La Terre n'étant pas un simple solide, il faut définir précisément sa rotation globale.

Néanmoins, on connait bien le mouvement des plaques tectoniques, du moins mesure-t-on précisément le déplacement d'un point de la croûte terrestre avec un GPS par exemple, ce qui permet d'établir une convention, dite de Tisserand, pour figer un modèle théorique, l'ITRS (Système International de Référence Terrestre) puis d'y caler un modèle pratique évidemment entaché d'erreur, l'ITRF (Repère de Référence Terrestre International).

Il ne reste plus, alors, qu'à tenir compte des autres facteurs intervenants dans les différentes milieux et interfaces terrestres :

  • des vents (aéronomie), de la marée atmosphérique, de la marée thermique solaire ;
  • des courants océaniques, des marées océaniques, des interactions Océan-Atmosphère ;
  • de la marée terrestre ; des mouvements du manteau (le rebond post-glaciaire a déplacé énormément le pôle (nord) vers le Groenland[réf. nécessaire]), des mouvements de la graine du noyau et du noyau lui-même et enfin de l'interaction noyau-manteau ;
  • des interactions TAO (Terre-Atmosphère-Océan) : par exemple l'altitude de Brest varie beaucoup et celle de Rennes beaucoup moins.

La Terre ainsi « solidifiée » par ces différentes « réductions-d'erreurs-systématiques », il ne reste plus qu'à étudier l'action des astres sur ce solide, repéré par ses angles d'Euler (voir rotation).

Longueur du jour[modifier | modifier le code]

La « longueur » du vecteur rotation, soit \omega = 2\pi /T donne la longueur du jour stellaire T, c'est-à-dire l'intervalle de temps qui sépare deux passages consécutifs de la même étoile au méridien. Il est proche du jour sidéral, l'intervalle de temps qui sépare deux passages consécutifs du point vernal (animé de la précession) au méridien. Cependant on utilise la longueur du jour solaire LOD = 1,002 737 811 911 354 48 T (de l'anglais « Length of Day »), qui est l'intervalle de temps séparant deux passages consécutifs du « soleil moyen » au méridien. Le LOD vaut 86 400 s TAI (le jour atomique) à plus ou moins 5 ms près. L'International Earth Rotation Service[2] détermine quotidiennement l'écart du LOD avec le jour atomique. Cet écart présente une variation saisonnière de l'ordre de la milliseconde, à laquelle se superposent des oscillations à plus long terme entre 10 et 70 ans, atteignant 5 ms et difficilement prévisibles.
Selon la théorie commune, ces oscillations sont provoquées par le couplage entre le noyau fluide et le manteau. Sur des échelles de temps encore plus grandes, la décélération de la rotation terrestre devient prédominante et entraine une augmentation de la longueur du jour de deux à quatre millisecondes sur deux siècles.

La longueur du jour est mesurée grâce à la technique GPS et les tirs lasers sur satellites artificiels avec une précision de l'ordre de 0,020 ms = 20 µs.

On peut ainsi calculer l'écart de la longueur du jour par rapport au jour atomique[3].

Herpolhodie[modifier | modifier le code]

C'est le mouvement angulaire du vecteur rotation dans l'espace (plus précisément le système de référence céleste). Il est caractérisé par sa précession de période 26 000 ans, déjà détectée par Hipparque, et sa nutation. Il existe des irrégularités, car la Terre n'est pas un solide.

Polhodie[modifier | modifier le code]

De pôle hodos (le chemin) : C'est le mouvement du vecteur rotation dans le système de référence terrestre (ITRF  : international terrestrial reference frame[4], défini correctement (la tectonique des plaques de quelques centimètres par an oblige sur un sol aussi mouvant d'avoir une convention précise si l'on veut détecter un mouvement au millimètre près). À l'heure actuelle, ce mouvement est relevé très précisément par géodésie satellitaire et le VLBI[5].

Arrêt[modifier | modifier le code]

La force de gravitation tend à synchroniser la rotation d'un satellite avec la rotation du corps autour duquel il est en orbite, jusqu'à ce que les deux corps apparaissent fixes dans le ciel vus l'un de l'autre. Or la Terre est un satellite du soleil et a elle-même un satellite (la lune), ce qui soumet la Terre à (principalement) deux influences opposées.

  • En tant que membre du couple Terre-Lune, la Terre devrait tourner sur elle-même en un mois lunaire. La vitesse de rotation de la Terre étant actuellement plus grande, il y a un ralentissement de la Terre et l'énergie de rotation ainsi récupérée est transférée en énergie potentielle de la Lune, qui se traduit par un éloignement de la Lune (qui augmente la durée du mois lunaire).
  • En tant que membre du couple Soleil-Terre, la Terre devrait tourner sur elle-même en une année (elle aurait alors par rapport au soleil une « face éclairée » et une « face cachée », comme actuellement la Lune vis-à-vis de la Terre ; voir aussi Mercure)

Des calculs suggèrent qu'il faudra plusieurs milliards d'années pour arriver à une synchronisation, voire plus que la durée de vie estimée du Soleil[6]. La rotation du soleil sur lui-même, celle de la Terre autour du soleil, et celle de la lune autour de la terre seraient alors identiques.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. (en) NASA Glenn Learning Technologies Project, « Telling Time by the Stars - Sidereal Time », NASA.gov
  2. (en) « EOP Center, Paris Observatory », sur l'Observatoire de Paris
  3. « Écart depuis janvier 2000 jusqu'à la semaine en cours », sur l'Observatoire de Paris
  4. « IRTF »
  5. « VLBI », sur l'Observatoire de Paris
  6. Christian Buty, « Rotation de la Terre sur elle même et distance Terre Lune », Comité de Liaison Enseignants et Astronomes

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Emmanuel di Folco, Pourquoi la Terre tourne-t-elle ?, Les Petites Pommes du Savoir no 73, éditions Le Pommier, Paris, 2011, 64 pages (ISBN 978-2-7465-0564-3)

Liens externes[modifier | modifier le code]