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       - Les bienfaits de la Lune  
    Hors série - Science & Vie - 1996-09-01      
    Comment la présence de la Lune régule notre climat tempéré, mais aboutit aussi à ce qu'elle tende à s'esquiver …  
    En regardant vers les étoiles, les Gaulois se demandaient, dit-on, si le ciel n'allait pas, un jour, leur tomber sur la tête. Cependant une telle catastrophe, bien loin de se réaliser, est apparue fortement improbable aux yeux de presque tous leurs descendants. Improbable, elle l'est en effet, du moins à l'échelle de nos courtes vies terrestres.  
    Depuis les Gaulois, non seulement les étoiles sont restées à peu près en place, mais notre planète est, quant à elle, demeurée accueillante : son climat n'a subi que des variations minimes. Nous le devons à la Lune, dont le rôle stabilisateur sur nos conditions climatiques vient d'être dévoilé par les dernières simulations de l'équipe de Jacques Laskar, au Bureau des longitudes. Sans l'intervention de notre satellite, le chaos se serait emparé de notre toupie terrestre et le développement de la vie serait peut-être resté embryonnaire.  
    L'apparition des premières formes vivantes a nécessité des conditions très précises. En particulier, une température suffisante pour maintenir l'eau de notre planète à l'état liquide. Cette eau est, en effet, le solvant principal des réactions chimiques depuis les prémices de la vie jusqu'aux métabolismes des êtres évolués. En outre, la température est un facteur déterminant de la progression des réactions primitives. Celles-ci pouvaient aussi bien s'étaler sur quelques secondes que sur des centaines d'années. Ces durées laissaient le temps à d'autres réactions, moins dépendantes de la température et concurrentes des premières, de progresser. Dans cette course contre la montre, une interruption de jeu de quelques centaines d'années, à cause d'une glaciation, pouvait bien signifier un retard encore plus grand pour l'apparition des premières cellules.  
    Les candidats à l'évolution, une fois présents sur notre planète, ont, comme nous, apprécié les clémences du climat. Or le nôtre est, globalement, ce qu'il y a de mieux : il est régulé par les mouvements des masses d'air qui échangent la chaleur entre les zones chauffées par le Soleil et celles qui le sont moins.  
    Cette régulation serait rapidement mise à mal si l'insolation de notre planète venait à changer. Chacun peut ressentir les variations de cette insolation au cours des saisons. On sait que celles-ci résultent de la combinaison de deux mécanismes célestes la course de la Terre autour du Soleil, et l'inclinaison de son axe de rotation, c'est-à-dire son "obliquité". Ces mécanismes sont moins stables qu'il n'y paraît ils seraient susceptibles de faire varier l'insolation terrestre et ainsi d'être la cause des épisodes glaciaires qui ont jalonné l'histoire de notre planète …  
    Milutin Milankovitch y songea sans doute. En 1941, il expliqua pour la première fois les grandes périodes de glaciation de l'ère quaternaire par des variations d'obliquité. D'après lui, un seul degré, en plus ou en moins, aurait suffi pour déclencher un épisode glaciaire.  
    De fait, une obliquité faible favorise la répartition du rayonnement solaire sur la plus grande partie de notre planète au cours de sa rotation. Telle qu'elle se présente aujourd'hui, cette obliquité atténue les différences saisonnières sur l'hémisphère nord alors qu'elles sont accentuées sur l'hémisphère sud. Un hémisphère est donc plus tempéré que l'autre. De plus, l'obliquité actuelle permet une fonte rapide des calottes polaires dès le printemps. Une variation de quelques degrés dans cette orientation aurait un effet important sur la température globale de notre planète : cette fonte entraînerait une diminution de la surface de glace réfléchissant le rayonnement solaire. Or, l'axe de rotation de la Terre n'est pas fixe.  
    Très tôt, vers 120 av. J.-C., Hipparque montrait qu'à l'image d'une toupie en rotation dans le champ de gravité du Soleil, notre axe décrit un cône dans un mouvement appelé "précession des équinoxes". C'est ce mouvement périodique qui fait varier l'inclinaison de la Terre de quelques degrés tous les 26'000 ans. On attribue son existence à l'attraction qu'exerce le Soleil sur les renflements équatoriaux de notre globe. Ceux-ci fourniraient un bras de levier à l'attraction conjointe du Soleil et de la Lune. Celui-ci, et donc la vitesse de la précession, dépend de notre vitesse de rotation puisque c'est elle qui aplatit le globe. Mais revenons à l'hypothèse de Milankovitch.  
    En effectuant des mesures isotopiques (taux d'O18/O16) dans les glaces polaires, l'équipe de John Imbrie a obtenu, en 1982, une estimation de la température moyenne des océans il y a quelques millions d'années. L'évolution de l'insolation, et donc celle de l'obliquité de notre planète, a, quant à elle, été déduite des calculs du mouvement de précession des équinoxes. L'idée de Milankovitch s'est ainsi retrouvée confirmée sur cette période relativement courte.  
    Sa théorie astronomique du climat a motivé de nombreuses recherches. C'est pour tenter d'y apporter une vérification théorique que Jacques Laskar et son équipe du Bureau des longitudes se sont lancés dans une simulation des variations de l'obliquité terrestre sur une période très longue. Forts d'une précédente simulation mettant en scène les mouvements des planètes du système solaire et leurs évolutions sur un temps très long, ils se sont intéressés à la Lune.  
    Les mouvements du duo Terre-Lune autour du Soleil ont une conséquence bien connue des marins : la Lune et, dans une moindre mesure, le Soleil déplacent les masses fluides d'eau. Ils agissent également sur la matière en fusion à l'intérieur de notre globe.  
    L'énergie de ces déplacements n'est pas totalement restituée au système Terre-Lune : elle disparaît partiellement sous forme de chaleur.  
   

Une méthode de calcul rapide

 
    La culture astronomique des premières années universitaires donne du système solaire une vision séduisante par sa simplicité et sa stabilité. Pourtant, comme le soupçonnait déjà Henri Poincaré en 1892, il existe des "solutions non régulières" aux équations de Newton. Elles conduisent à l'existence de comportements chaotiques, et donc à l'instabilité au sein même du système solaire.  
    Dès 1989, Jacques Laskar avait utilisé une manière astucieuse de simplifier les équations de Newton. Il en tirait un système "moyennisé" ne décrivant plus les positions et les vitesses des astres, mais leurs écarts de conduite par rapport aux trajectoires de Kepler. Celui-ci représente les lentes déformations des orbites au cours du temps. Il en déduit, pour chaque planète, les variations d'inclinaison, d'excentricité ou de l'obliquité de l'axe de rotation. D'abord calculées sur 200 millions d'années, ces variations sont aujourd'hui estimées sur des durées équivalentes à l'âge du système solaire (4,6 milliards d'années).  
    Cette simplification des équations de Newton présente l'avantage de favoriser le calcul par ordinateur : les termes sont facilement intégrables, au prix, il est vrai, d'une multiplication de leurs nombres (150'000 termes environ). Des stations de travail ordinaires permettent d'obtenir des résultats, et seul un jour de calcul est nécessaire pour un milliard d'années de simulation.  
    Les résultats de Jacques Laskar furent vérifiés en 1991 par l'équipe canadienne de T.R. Quinn. Celle-ci travaillait avec les équations d'origine, mais sur un temps beaucoup plus court (3 millions d'années). Plus tard, à l'aide d'un puissant ordinateur vectoriel, des chercheurs du Massachusset Institute of Technology (MIT), ont confirmé la simulation du Bureau des longitudes sur 100 millions d'années. Dans les deux cas, 3 mois de travail continu des ordinateurs furent nécessaires.  
    La raison de cette longue durée de calcul est simple : la méthode complète nécessite l'exécution de l'ensemble des opérations pour chaque demijournée de simulation. Celle du Bureau des longitudes se contente d'un calcul pour 500 ans. Elle va ainsi beaucoup plus loin et beaucoup plus vite.  
    S'agissant des mouvements de masse d'eau, l'énergie dissipée peut être déduite des mesures satellitaires. Elle a très certainement évolué au cours du temps. En effet, la valeur moyenne actuelle aurait conduit la Lune et la Terre à une collision, il y a 1,2 milliard d'années. Quant aux mouvements qui s'opèrent à l'intérieur du globe, on connaît très mal la dissipation d'énergie qu'ils engendrent. La friction engendrée par ses mouvements, responsable de cette dissipation, est difficile à évaluer.  
    On sait néanmoins dans quelles limites tous ces paramètres sont susceptibles de varier, et l'on est donc à même de simuler les différents cas de figure. Mais pour démarrer ces calculs, il faut un point de départ. Les mesures actuelles fournissent bien ces données mais elles ne permettent pas de remonter jusqu'à l'origine du système solaire. Ainsi, l'obliquité de la Terre primitive n'est pas connue et la Lune a rejoint notre planète dans des conditions et à une époque que l'on ne peut déterminer avec précision. Une première simulation, visant à tester diverses obliquités de la Terre primitive, avait même dévoilé de nombreuses configurations conduisant à une évolution chaotique. Si la Terre avait été au départ inclinée de 60° à 90°, son axe de rotation aurait été très instable. Elle continuerait encore à osciller sur ce même intervalle.  
    L'obliquité se trouve aujourd'hui dans une zone stable : 23,50. Mais il en serait tout autrement si la Lune n'accompagnait pas notre planète. Dans ce cas, la simulation laisse apparaître une zone chaotique couvrant pratiquement tout l'intervalle de 0° à 90° : esseulée, la Terre initiale aurait eu toutes les chances d'être soumise à un va-et-vient continuel entre ces valeurs extrêmes. Nous devrions donc remercier notre satellite pour les beaux jours de soleil et de pluie dont il nous laisse profiter. D'autant plus que cela pourrait bien ne pas durer !  
    En effet, si la dissipation par effet de marée joue un râle essentiel sur l'obliquité, elle a d'autres conséquences plus néfastes : faute d'énergie, notre Lune risque de s'esquiver …  
    Terre et Lune forment pourtant un vieux couple bien en phase : la rotation de la Terre est beaucoup plus rapide que la course de la Lune, mais celle-ci se recale tous les 28 jours. Les déplacements de masses fluides dus l'effet de marée suivent bien le déplacement relatif de la Lune, mais avec un léger décalage. Le bourrelet d'eau pointe un peu en avant de la position lunaire, Ce décalage entraîne un couple de rappel : c'est lui qui ralentit la Terre.  
   

Notre planète tournant plus vite que la Lune, ses marées sont en décalage avec elle.
D'où l'existence d'un couple de rappel qui ralentit la rotation de la Terre.

 
    Pour compenser ce ralentissement, et parce que le moment cinétique de l'ensemble n'a pas de raison de diminuer, la Lune s'écarte de notre planète. Cet éloignement a été mesuré : il est de 3,8 cm par an. C'est peu comparé aux 384'000 km qui nous séparent de notre satellite, mais c'est inexorable. Le ralentissement de la Terre pourrait se poursuivre jusqu'à notre séparation d'avec la Lune et son effet de marée.  
   

La Lune nous quittant, la vitesse de précession diminue :
dans 1,5 milliard d'années, nous devrions ainsi entrer dans une zone d'obliquité chaotique.

 
    La catastrophe et le chaos semblent cependant nous guetter avant ce triste événement. En effet, à mesure que la Terre se ralentit, nous l'avons vu, la période du mouvement de précession des équinoxes s'allonge. Elle passerait ainsi, dans un peu plus d'un milliard d'années, à 43'000 ans (30" d'arc/an) : une valeur très proche de celle des mouvements planétaires environnants. Or, qui dit accord de période, dit aussi résonance ! Des résonances qui, selon les simulations de Jacques Laskar et Olivier Néron de Surgy, devraient rapidement entraîner notre axe de rotation dans les positions. chaotiques découvertes précédemment. La Terre pourrait alors se retrouver complètement couchée sur le plan de l'écliptique (obliquité de 90°), pour se redresser de nouveau en quelques millions d'années.  
    Si nos pôles pointaient alternativement vers le Soleil, les cercles polaires passeraient par l'équateur. Nos deux hémisphères subiraient alternativement un été excessivement chaud et un hiver glacé et nocturne et ce, tous les six mois. Des conditions climatiques épouvantables pour tous les êtres vivants …  
    Les premières simulations concernant le départ de la Lune montrent donc un effet direct de notre satellite sur les conditions et l'évolution de la vie terrestre. Or, l'énigme de la formation de la Lune demeure. S'est-elle créée par accrétion de matières déjà présentes à la formation de la Terre, ou bien à partir de débris arrachés à notre planète par le choc gigantesque d'un astéroïde provenant de la région de Mars ?  
    Il est clair que si l'on admet un scénario aussi improbable que celui-ci, l'existence d'une planète dont le climat serait stabilisé de la même manière que sur la Terre devient tout aussi improbable, même si on cherche parmi l'infinité des planètes qui composent l'Univers. Les partisans des extraterrestres peuvent donc aboyer à la Lune, ces derniers sont peut-être moins nombreux qu'on ne le pense !  
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