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    La durée du jour joue au yo-yo  
    Azar Khalatbari - Ciel & Univers n.361 - 2000-06-01      
    La Terre est capricieuse au point de s'emballer ou de ralentir sur son axe,
prolongeant le jour au-delà de sa durée d'antan.
Mais les auteurs de ces sautes d'humeur sont en passe d'être démasqués
 
    Tous les dix-huit mois environ, Daniel Gambis, directeur du Service international de la rotation terrestre (1) (IERS), fait la une des journaux. Le portrait du quadragénaire souriant s'étale alors en pleine page sous un titre alléchant. Sa notoriété éphémère repose sur un exploit qu'il renouvelle à chaque fois sans le moindre état d'âme : celui de modifier le cours du temps… Non pas à la manière du poète, nostalgique et lyrique, mais plutôt comme un métronome objectif et régulier qui remet les pendules à l'heure pour toute la France. Sur sa décision, prise en son âme et conscience, une seconde est ajoutée ou retranchée à la durée du jour selon que la rotation de la Terre s'accélère ou ralentit.  
    Cette année, le rendez-vous de la "seconde intercalaire" est fixé à la fin de ce mois. En principe, il faudrait adjoindre au temps actuel une seconde de plus. Or, exceptionnellement, cette fois-ci, notre homme n'en fera rien. "En ce moment, la Terre accélère plutôt et rattrape son retard. Elle tourne de plus en plus vite sur son axe, ce qui diminue de quelques millisecondes la durée du jour. Selon nos prévisions actuelles, d'ici fin 2001, il n'y aura pas besoin de modifier le cours du temps. "Au sein de l'lERS, la tâche de Daniel Gambis consiste à concilier les caprices d'un globe-toupie, qui perturbent la durée du jour, et l'imperturbable régularité des horloges atomiques, sur laquelle s'alignent les horaires des trains, l'horloge parlante et tous les bracelets-montres de la planète.  
    La valeur précise de la seconde, 86 400e partie du jour, date de la fin des sixties. Depuis 1970, la seconde officielle est donnée par la fréquence d'un rayonnement électromagnétique émis au sein de l'atome de césium 62J. Cette ponctualité à toute épreuve permet de définir l'unité du temps au dix-millionième de millionième près. Pour le césium, les jours se succèdent à l'identique. Au bout de l00 millions d'années, le retard théorique n'est que de 1 seconde. Ce temps ultra-précis est appelé temps légal atomique, et noté UTC (pour unité du temps césium). Tout irait bien dans le meilleur des mondes si le mouvement de rotation de la Terre—qui fixe la durée du jour et donne la définition de la seconde naturelle baptisée UTl — était régulier. Les horloges atomiques serviraient alors de référence ad vitam aeternam. Or, il n'en est rien : sans l'action de l'IERS et de ses secondes intercalaires casées à la main, le temps UTI aurait déjà accumulé un retard de 32 secondes sur le temps atomique depuis trente ans.  
   

En ce moment, la planète Terre accélère et rattrape le retard qu'elle a accumulé pendant des siècles. Comme elle tourne plus vite sur son axe, la durée du jour est diminuée de quelques millisecondes.

 
    C'est évident : le manège sur lequel nous sommes assis ne tourne pas tout à fait rond. (voir encadré). À son chevet, une armée de géophysiciens tentent de cerner les causes des variations de la durée du jour. Un vrai sac de noeuds : s'y mêlent perturbations séculaires et variations annuelles, voire mensuelles. Un drôle de défi se présente aux spécialistes : identifier un à un ces "empêcheurs de tourner en rond" et quantifier la nature et la durée de leur action.  
    Parmi les suspects, se bousculent l'eau, le vent, l'air, les montagnes, la glace, sans compter la structure interne de la planète. Cette dernière est à elle seule tout un programme. Si l'on s'intéresse d'un peu plus près aux dessous de la Terre, on découvre sous une croûte de quelques kilomètres d'épaisseur les 2'900 km de roches du manteau. "Cette épaisse coquille rocheuse est le seul élément sous nos pieds qui tourne bien rond. La vitesse de rotation du globe traduit en fait uniquement le mouvement du manteau terrestre" explique Pascal Gégout, du laboratoire dé dynamique globale de l'Observatoire des sciences de la Terre de Strasbourg. Mais sa régularité est troublée par les soubresauts de l'élément sous-jacent, le noyau. Celui-ci est un océan intérieur de fer et de nickel, au centre duquel se trouve une boule de fer solide, la graine. Or, le métal du noyau bat et s'agite sans cesse. Les flots qui l'animent cognent contre la roche solide du manteau. Il en résulte des frottements qui perturbent le mouvement de notre coquille rocheuse.  
    Quelque 1'200 km plus bas, les vagues de cet océan de métal roulent sur la graine. Mais les effets de ce rivage profond sur la durée du jour sont encore largement inconnus. La rotation du manteau est donc sans cesse perturbée, d'une part à sa base par les vagues du noyau, d'autre part à sa surface par les courants de l'océan et de l'atmosphère. De ce fait, le manteau gagne ou perd sans arrêt du moment cinétique selon que ces fluides à sa surface et en son centre se déplacent dans le même sens de rotation que lui ou dans 1t sens contraire. Comme la conservation du moment cinétique est un principe sacro-saint de la physique, le moindre souffle d'Eole à travers la plaine, le plus petit soubresaut du métal intérieur affectent la durée du jour.  
    Il reste encore à quantifier la part qui revient aux fluides superficiels et celle qui incombe aux vagues du noyau. "Les mouvements au sein de l'atmosphère et de l'océan expliquent à plus de 90% les écarts entre la durée naturelle du jour et sa version atomique", reprend Pascal Gégout. Pour commencer, le va-et-vient de l'eau mène la danse. Depuis que la Lune existe, c'est-à-dire peu après la formation de la Terre, notre satellite est responsable, avec le Soleil, des forces de marées qui soulèvent deux fois par jour chaque point de la Terre de 20 à 40 cm, pour les latitudes moyennes, et déplacent ainsi des masses d'eau importantes. Le frottement de l'eau sur le plancher des océans dissipe une partie de l'énergie de la Terre. Résultat : la planète tourne de moins en moins vite et la durée du jour augmente inexorablement, de 2,4 millisecondes par siècle. Il y a 400 millions d'années, le jour ne comptait que 22 de nos heures actuelles. A cause de l'action de la Lune, la Terre a donc tendance à ralentir, d'où la nécessité d'ajouter les fameuses secondes. Contrepartie de ce mouvement : en vertu de la conservation du moment cinétique du couple Terre-Lune, notre satellite accélère et s'éloigne de la Terre, à raison de 4 cm par an.  
   

Les montagnes responsables : cette photo des Rocheuses a été prise en mars 1992 de la navette spatiale. A la surface du globe, les chaînes montagneuses constituent d'imposants obstacles sur lesquels les vents viennent se heurter. Résultat : les caprices d'Éole peuvent ralentir ou accélérer la rotation de la planète selon la direction qu'ils empruntent.

 
    Mais, parfois, les effets conjugués de l'air et de l'eau compensent en partie le ralentissement de notre planète dû aux marées. Cette courte séance de rattrapage débute par un caprice de vent. On ne sait pourquoi et comment, certaines années, les vents d'est que sont les alizés faiblissent et ne parviennent plus à pousser les eaux de surface, plus chaudes, vers la côte indonésienne du Pacifique. C'est le phénomène El Nino, qui s'installe alors pour deux ans environ. Les eaux chaudes s'accumulent le long de la côte du Pérou et affectent le climat mondial, provoquant sécheresse en Asie et pluies torrentielles sur le continent américain. Pendant l'épisode El Nino, le courant d'eau chaude du Pacifique se propage alors d'ouest en est. En réponse à cette inversion, et toujours en vertu de la conservation du moment cinétique, la Terre tourne plus vite, et la durée de chaque jour raccourcit de 1 milliseconde. En 1998, justement, le Pacifique a été frappé de plein fouet par un tel événement, entraînant une diminution de la durée du jour qui se poursuit encore. C'est elle qui nous fait faire, en ce mois de juin 2000, l'économie d'une seconde intercalaire.  
    Après les courants océaniques, ce sont les masses d'air qui imposent leur loi. Notre cocon atmosphérique ne représente à peine qu'un millième de la masse de la planète mais, comme il est éloigné du centre de gravité de la planète, ses moindres tressautements perturbent la rotation terrestre. Les mouvements qui le caractérisent ont en général une durée de deux mois à un an. Les plus efficaces ont un fort "couplage" : c'est ainsi que les géophysiciens désignent le fait que l'atmosphère "accroche et entraîne le manteau". C'est la condition préalable à un frottement et donc à une dissipation d'énergie. Si la surface des continents et des océans était lisse et homogène, l'air y glisserait sans… s'accrocher" et modifierait peu la rotation de la Terre. Il n'en est rien. Les montagnes offrent une quantité de prises aux vent. "Nous les appelons les couplages topographiques, précise Pascal Gégout. L'exemple type est une plaine venteuse barrée par une chaîne de montagnes, comme les Rocheuses, dans le Colorado. Les masses d'air viennent alors cogner contre le relief et peuvent accélérer ou ralentir la rotation de la planète. Tout dépend dans quel sens souffle le vent." Bref, un coup de vent d'ouest, et la Terre accélère sa rotation vers l'est. Enfin, les masses d'air se déplacent sans cesse au sein de l'atmosphère. A cause des variations de température, l'air s'échauffe par endroit et devient peu dense. Cette répartition mouvante des masses d'air affecte aussi la vitesse de rotation de la Terre. Ainsi un jour en août dure jusqu'à 2 millisecondes de moins qu'en février.  
   

Les océans, les vents, la température de l'air, les frasques du noyau font varier la durée du jour

 
    Les effets atmosphériques sur le ralentissement de la Terre sont bien identifiés grâce aux nombreuses mesures satellites. Il n'en est pas de même pour les variations dues aux frottements du noyau liquide. Là, tout n'est que supposition. "On ignore comment s'articule la limite entre le noyau liquide et le manteau solide', déclare Marianne Graeff, du laboratoire de géomagnétisme de l'Institut de physique du globe. S'agit-il d'une surface rugueuse capable d'entraîner l'épaisse coquille de roche ? Probablement. Mais il est impossible d'avancer des pronostics sur la part qui revient au noyau lorsque la durée du jour varie. Répondre à cette question nécessiterait une meilleure connaissance du fonctionnement de ce qui se trame sous nos pieds.  
    Entre l'atmosphère et les profondeurs, d'autres masses déséquilibrent la Terre et troublent ainsi sa rotation. C'est le cas des glaciers. "Un des phénomènes les plus étudiés est le 'rebond post-glaciaire, reprend Marianne Graeff. Depuis la fin de la dernière glaciation, les glaces fondent inexorablement. Les glaciers remontent pour s'équilibrer de nouveau, et cette redistribution de masse influe non seulement sur la durée du jour mais aussi sur la direction de l'axe de rotation de la Terre. " Pour le reste ? Il y a la circulation des eaux souterraines, et les transferts de masse au sein du noyau et du manteau : des phénomènes cycliques qui étendent leur action sur des siècles et des siècles. Sauf lorsque survient un séisme de grande magnitude. Alors dans les entrailles de la Terre, une faille s'ouvre, et des couches profondes se réarrangent… Le phénomène violent qui ferait varier la durée du jour de 1 milliseconde tout au plus.  
   

Les océans coupables : au fil des jours, les forces des marées déplacent d'énormes masses d'eau. Leurs frottements sur le fond des océans dissipent une partie de l'énergie de la planète. Et la Terre tourne moins vite. Conséquence directe : la durée du jour s'accroît de 2,4 millisecondes par siècle.

 
1.   Le Service international de la rotation terrestre a été créé en 1988 par l'Union astronomique internationale et par l'Union géodésique et géophysique internationale pour mettre à la disposition des chercheurs les données les plus actuelles concernant la rotation de la Terre.  
2.   La seconde correspond à la durée de 9'192'631'770 périodes de l'onde émue lors de la transition entre deux niveaux d'énergie de l'état fondamental de l'atome de césium.  
La toupie terrestre   Non seulement la Terre ne tourne pas toujours à la même vitesse, mais en plus elle ne tourne pas tout à fait rond : la direction de son axe de rotation varie au cours du temps. Cet axe décrit un cône dans l'espace à l'instar de la pointe d'une toupie en fin de parcours. Ce mouvement de précession, qui dure 26'000 ans, placera dans 11'000 ans 1e pôle Nord non plus à l'aplomb de l'Étoile polaire mais de Véga, position qu'il occupait il y a 15'000 années. À une nuance près : le pôle ne revient pas tout à fait à sa position initiale. Ainsi, le pôle Nord s'est déplacé d'une dizaine de mètres en 80 ans et la Terre a basculé d'autant. Quelle est la cause de cette promenade que s'octroie le pôle au cours des décennies sans jamais revenir exactement à sa position originale ? Comme pour la variation de la durée du jour, la répartition inhomogène des masses à l'intérieur de la planète joue un rôle. Ce phénomène peut avoir lieu dans le manteau, animé de courants se déplaçant de quelques centimètres par an. Ils peuvent provoquer des excès de masse par-ci, des déficits par-là, bref une répartition inégale des zones denses et peu denses, qui évolue en permanence. Les tressaillements du noyau peuvent aussi agir de la même manière. Le globe se comporte alors comme une boule de pétanque truquée, lestée d'un côté, qui ne tourne pas tout à fait rond.  
1)   Le mouvement de précession du pôle est connu depuis Hipparque (- IIe siècle). En comparant deux catalogues d'étoiles établis à un siècle d'intervalle, l'astronome grec avait avancé une valeur de 50 secondes d'arc par an. Actuellement, on considère que cette valeur est de 49¨ d'arc.  
       
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