De la Terre à la Lune

17ème siècle, l’astronome Kepler émet l’idée que la Terre décrit autour du Soleil une ellipse immuable. Le physicien Newton, bouleverse par la suite cet équilibre en montrant que la masse des autres planètes perturbaient l’orbite de la Terre. L’orbite de la Terre n’est pas une ellipse parfaite. Ni l’orbite , ni l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre ne sont fixes. L’astronome LeVerrier, au 19^ème siècle, a été le premier a calculer les variations séculaires de l’ellipse terrestre, dans la lignée des travaux de Laplace. C’est en se fondant sur ces derniers résultats que Milankovitch émet, en 1941, l’hypothèse que les grandes périodes glaciaires du Quaternaire résultent des variations de l’insolation des hautes latitudes et que celle-ci sont induites par les variations séculaires de l’orbite et de l’orientation de la Terre [1].

Un système solaire chaotique [2]

La modélisation des mouvements du système solaire s’appuie sur des modèles mathématiques qui tentent de calculer sur des grandes échelles de temps le mouvement relatif des planètes. Un système planétaire est considéré stable quand le temps de collision est équivalent à l’âge du système, ce qui est le cas aujourd’hui pour le système solaire. Mais ce type de système se situe toujours à la limite de la stabilité : une faible perturbation mène à sa déstabilisation. Ainsi, après un enchaînement de 2 ou 3 perturbations infimes il n’est plus possible de prédire l’état du système, de converger vers une solution unique. En mathématique on dit que l’erreur se diffuse.  Le système solaire, n’est plus dans la phase de collision intense, moment où les planètes se forment par accrétion de matière. Il est dans cet état stable et cependant chaotique où ses caractéristiques dynamiques futures sont difficiles à prédire mathématiquement. Cependant, l’histoire des mouvements des planètes est inscrite dans leurs couches géologiques terrestres.  En effet, dans un contexte de diffusion chaotique, pour éliminer des groupes de solution et se situer dans les différents scenarii possibles, la géologie fournie des balises très précises.

Precession des équinoxes

Le mouvement de précession des équinoxes de la Terre est comme celui d’une toupie, il est induit par la présence du bourrelet équatorial. L’axe de rotation de la Terre décrit un cône dans l’espace avec une période de 26 000 ans, son inclinaison est appelée obliquité.

Le cône formalise le mouvement de l’axe de rotation de la Terre

L’obliquité de la Terre est caractérisée par l’angle entre l’axe de rotation et plan de l’orbite terrestre autour du Soleil. Cette inclinaison, d’environ 23°3′, conditionne la répartition de la quantité de chaleur solaire reçue à la surface de la Terre, un des éléments fondamentaux de la compréhension du climat

Obliquité : angle entre l’axe de rotation et plan de l’orbite terrestre (plan de l’écliptique)

Forçage climatique

L’axe de rotation de la Terre conditionne l’insolation à sa surface. On lui doit l’existence des cercles polaires, à l’intérieur desquels les jours et les nuits peuvent durer plusieurs mois. Les interactions gravitationnelles entre la Terre et les autres planètes perturbent le mouvement de précession. Concrètement, les battements conjoints des orbites de Mars et de la Terre, qui traduisent leurs interactions ont parfois pour effet d’amplifier la variation de leurs mouvements de précession (voir vidéo ci-dessous), se répercutant donc sur leur climat. C’est ce qu’on appelle un forçage climatique. On peut, d’ailleurs distinguer le rythme de ces battements dans les couches géologiques terrestres car nos roches les plus anciennes sont des témoins des perturbations climatiques subies par la Terre à l’échelle du million voire du milliard d’années.

Lune forceur climatique

Dès 1993, les travaux de Jacques Laskar ont démontré le rôle essentiel de notre satellite naturel sur la précession des équinoxes et in fine sur l’obliquité. Les simulations numériques du mouvement de l’obliquité des  planètes du système solaire (Vénus, Mercure Mars et la Terre sans Lune) à travers le temps s’avèrent chaotiques. En effet, les perturbations exercées entre les planètes entre elles, modifient leurs orbites. Il existe alors des effets de résonance, c’est à dire d’amplification, quand la période de ces excitations est proche de la période de précession des planètes. Or, la Lune et le Soleil exercent un bras de levier sur le bourrelet équatorial via la gravitation. La Lune augmente par cet effet de marrée, dont elle est responsable au 2/3, la vitesse de précession de la Terre. La période de précession étant augmentée, les effets de résonance possibles avec les périodes orbitales de la Terre sont limités. L’obliquité, de ce fait, varie peu.

Sur cette simulation numérique la Lune est supprimée à la date t= 0. Sous l’action des perturbations planétaires, deux cas possibles : sans la lune, l’obliquité terrestre subit de grands battements, avec la Lune elle subit de petites variations autour de 23,3°. Ces « infimes variations » sont pourtant suffisantes pour induire des baisses d’insolation de la Terre de 20%, qui selon Milutin Milancovitch, sont à l’origine des périodes glaciaires.

Le calcul des variations de l’obliquité terrestre sous l’influence des perturbations planétaires montre que sur un million d’années, cette variation n’est que de +/- 1,3° autour de la valeur moyenne de 23,3°, entrainant des variations de 20% de l’insolation reçue en été à 65° de latitude Nord (haute latitude). Or la quantité de chaleur obtenue aux hautes latitudes pendant l’été est primordiale car elle est à l’origine de la fonte des neiges accumulées pendant l’hiver et empêche l’extension des calottes polaires. Les faibles variations de l’obliquité de la Terre sont donc déterminantes pour lui assurer une stabilité climatique.

Si la Lune n’existait pas, l’orientation de l’axe de rotation de la Terre ne serait pas stable, et subirait de larges variations chaotiques au cours des âges, comme c’est le cas pour Mars. Les changements climatiques engendrés par ces variations auraient alors perturbé fortement le développement de la vie organisée. La lune, en stabilisant les oscillations possibles de l’obliquité agit donc comme un régulateur climatique de la Terre.

par Alice Mounissamy

[1] Cette hypothèse a par la suite été vérifiée en calculant les rapports isotopiques O¹⁸/O¹⁶ pour connaître la température des mers dans les temps anciens.

[2] Le système solaire est-il stable ? par Jacques Laskar http://www.bourbaphy.fr/laskar.pdf

[3] J. Laskar, F. Joutel, P. Robutel: Stabilization of the Earth s obliquity by the Moon, Nature, 361, 615-617, February 18, 1993