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Rotation and Nutation of a wobbly Earth

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Mesurer et comprendre les oscillations de la Terre avec une plus grande précision

Pendant des millénaires, nous nous sommes guidés grâce aux étoiles, et nous le faisons encore – avec une précision toujours plus grande. Le GPS, les horloges atomiques et bien d’autres outils que nous considérons comme acquis dépendent de notre capacité à mesurer les mouvements de la Terre; toutefois les modèles actuels pourraient encore être améliorés.

Recherche fondamentale

Les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS), tels que le GPS, reçoivent des données envoyées par des satellites en orbite afin de fournir un positionnement précis. Les récepteurs, fixes par rapport à la Terre et tournant de manière synchrone avec la planète, suivent les signaux des satellites qui se déplacent dans l’espace. Pour être précis, nous devons savoir comment la Terre tourne et se déplace sous les satellites. Le projet RotaNut du Conseil européen de la recherche est parvenu à modéliser la nutation de la Terre à quelques millimètres près, fournissant ainsi des informations susceptibles de considérablement améliorer la précision des outils s’appuyant sur les horloges atomiques et le GPS. Ces outils reposent sur deux cadres de référence: le cadre terrestre, fixe par rapport à la Terre et tournant de manière synchrone avec la planète, et le cadre céleste, immobile dans l’espace, où se déplacent les satellites artificiels comme ceux du GPS. Comme l’explique la chercheuse principale Véronique Dehant: «La relation entre ces cadres est compliquée par le fait que la rotation et l’orientation de la Terre sont soumises à des irrégularités induites par les redistributions de masse globales avec le temps et les contraintes extérieures, comme l’attraction gravitationnelle du Soleil et de la Lune.» Le projet RotaNut se propose d’améliorer la modélisation de la rotation de la Terre, et de mieux comprendre le rôle et la nature de sa structure interne. «La modélisation actuelle ne prend pas pleinement en compte les complexités de la Terre. Plus particulièrement, la contribution de l’atmosphère et des océans à l’orientation de la Terre n’est pas parfaitement modélisée. Il est également vrai que les mécanismes de couplage aux frontières entre le noyau interne, le noyau externe liquide et le manteau ne sont pas encore suffisamment compris pour être correctement modélisés», ajoute Véronique Dehant.

Petits changements, grands impacts

L’axe de rotation de la Terre se déplace dans l’espace au rythme de 1,5 km par an en raison de la précession et présente des variations périodiques à un taux de 600 mètres, comme on peut l’observer depuis l’espace dans un plan tangent au pôle. Les observations actuelles de quasars à partir d’antennes fixées sur la Terre, effectuées à l’aide de l’interférométrie à très longue base permettent aux scientifiques de les mesurer au niveau du centimètre. Le terme «précession» décrit la tendance à long terme de l’orientation de l’axe de rotation, tandis que «nutation» est le nom donné aux variations périodiques à plus court terme. Le projet RotaNut s’est concentré sur ces dernières. En mesurant la nutation à un niveau inférieur au centimètre, les scientifiques peuvent identifier les éléments de la physique de l’intérieur de la Terre qui doivent être pris en compte lors de la modélisation de l’orientation de la planète. Il s’agit notamment des mécanismes de couplage à la frontière entre le noyau liquide et le manteau viscoélastique.

Découvrir ce qui se passe dans le noyau terrestre

Véronique Dehant, qui a mené ses recherches à l’Observatoire royal de Belgique, estime que la période actuelle est passionnante pour travailler dans ce domaine: «Les progrès technologiques permettent aux géodésiens et aux géophysiciens d’identifier les causes et l’ampleur des changements d’orientation de la Terre.» Le projet a démontré que la dynamique du noyau liquide doit être prise en considération si l’on veut décrire avec précision l’orientation de la Terre. «Il est important de prendre en compte les ondes inertielles des fluides en rotation, couplées aux mouvements globaux de rotation, lorsque l’on étudie les nutations à l’intérieur du noyau», explique Véronique Dehant. En utilisant un modèle noyau-manteau entièrement couplé, l’équipe RotaNut est parvenue à analyser le couplage à la frontière entre le noyau et le manteau, qu’elle a déduit de la nutation observée. «Nos résultats sont importants. Ils nous permettent de mieux décrire ce qui se passe dans le noyau lorsque nous modélisons les nutations. Je suis très satisfaite de ce que le projet a réussi à réaliser car les mouvements et la dissipation dans le noyau pourraient expliquer l’observation.» Les résultats du projet sont disponibles sur le site web de RotaNut.

Mots‑clés

RotaNut, GPS, axe de rotation, précession, orientation, nutation, GNSS

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