L'atmosphère perturbe la rotation de notre planète, étonnant non ?

C’est le titre de la nouvelle conférence-débat organisée en partenariat avec la SMF-Météo et climat Midi-Pyrénées et Météo-France à la Cité de l’espace le jeudi 14 février 2013.

Cette conférence fait partie du cycle « Autour d'un micro avec Joël Collado » animé par… Joël Collado, prévisionniste sur les ondes de Radio France et président de Météo et Climat - Société Météorologique de France Midi-Pyrénées et toujours volontaire pour participer aux Rencontres Météo-Jeunes avec Planète Sciences Midi-Pyrénées. Ces conférences sur le climat, la prévision et l'atmosphère sont destinées à un large public.

La Terre, la fine couche d’atmosphère qui la protège et un dernier quartier de Lune. Photographie
prise le 4 septembre 2010 par l’équipage de l’expédition 24 à bord de la Station Spatiale
Internationale. Crédit image NASA

Jeudi, c’est Pierre Baüer, Président du Bureau des Longitudes, qui aura toute latitude pour nous faire découvrir un nouveau sujet, en l’occurrence les fluctuations de la rotation de la Terre. La vitesse de rotation de la Terre ainsi que son axe de rotation subissent en effet des fluctuations causées par :

L'interaction de la terre solide avec ses « enveloppes fluides », l'océan et l'atmosphère.
L'activité interne de la Terre, en particulier la convection dans le noyau de la Terre.
L’action de la Lune et du Soleil.

Ces faibles perturbations de la vitesse de rotation ainsi que du mouvement du pôle géographique sont observées depuis les années 1970 grâce à des moyens astrométriques de plus en plus précis : tirs laser sur la Lune, interférométrie à très grande base (VLBI pour Very Long Baseline Interferometry en anglais), systèmes de navigation par satellite (comme GPS ou DORIS). En France, c’est le Service international de la rotation de la Terre à l’Observatoire de Paris qui est chargé de les mesurer et de les répertorier.

L'association des mesures astrométriques avec les données du Centre européen de prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT ou ECMWF pour European Centre for Medium-Range Weather Forecasts), installée en Grande-Bretagne à Reading, permettent de déterminer très précisément la part due à l'atmosphère.

Comparaison des variations de la durée du jour entre 2009 et février 2013 obtenues à l’aide de
mesures astrométriques (en rouge) et à l’aide d’observations météorologiques (en bleu) et
mouvement de l’axe des pôles (exprime en mas, millième de seconde d’arc).
Source : IERS / Observatoire de Paris

Atmosphère… Atmosphère…

A court terme, à l'échelle de quelques années, c’est l’atmosphère qui joue un rôle prépondérant. Sur le long terme, la dissipation des marées océaniques conduit à un éloignement inexorable de la Lune (3,8 cm par an) et à une diminution de la vitesse de rotation de la Terre.

Après une présentation de l'ensemble des facteurs, y compris astronomiques, agissant sur la position de l'axe de rotation de la Terre et sur la vitesse de rotation de la Terre, Pierre Bauer mettra l'accent sur le rôle des enveloppes fluides et, en particulier, celui de l'atmosphère météorologique.

Pratiquement, quels impacts ? Retour sur UTC, UT1 et TAI

Le temps universel coordonné (UTC) et le Temps Atomique International (TAI) ont été évoqués récemment sur le blog un autre regard sur la Terre dans l’article présentant l’anaglyphe de la Mecque :

Le Temps Atomique International (TAI) est l'échelle de temps atomique élaboré par le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) au Pavillon Breteuil à Sèvres, à partir d'un parc de plusieurs centaines d'horloges atomiques réparties dans le monde. Le temps des horloges atomique repose sur le rayonnement électromagnétique lié à une modification interne aux atomes de Cesium. Ces horloges ont été développées à partir de 1955 et le TAI a remplacé la rotation de la Terre comme base du temps international à partir de 1972: son intervalle unitaire est exactement une seconde du système international d'unité (SI) au niveau de la mer. Le temps TAI est un million de foix plus stable que le temps UT1.

Le Temps Universel UT1 est le temps de l'horloge Terre qui effectue une rotation autour de son axe en à peu près 24 heures. Il a des instabilités à court terme de l’ordre de 10^-8 : la durée du jour augmente lentement (de 2 millisecondes par siècle). La détermination de UT1 est déduite des observations VLBI, avec également des méthodes satellitaires pour les variations rapides.

Le Temps Universel Coordonné (UTC), parfois encore appelé à tort GMT, est la référence de temps de toutes les activités dans le monde. C'est un compromis entre le temps atomique très stable et la rotation irrégulière de la Terre.

A cause des perturbations mentionnées plus haut, un tour de la Terre sur elle-même en août est plus court d'une à deux millisecondes qu'un tour en février. L'échelle de temps déduite de la rotation de la Terre, le temps universel (UT1) présente donc des irrégularités par rapport au Temps Atomique International.

En adoptant le temps TAI, on a aussi décidé que l'unité de temps de l'échelle UTC serait la seconde de TAI. Mais on a aussi voulu éviter que UTC s'éloigne trop du temps de la rotation de la Terre. On a donc défini la règle suivante : le temps UTC, tout en se déroulant selon la seconde TAI, serait décalé d'une seconde chaque fois que nécessaire, de façon à éviter que sa différence avec UT1 n'excède pas 0,9 seconde.

Vous suivez toujours ?

Pour que cet écart soit respecté, on corrige assez fréquemment UTC par des ajouts de seconde à des instants bien définis. Depuis l'instauration de cette règle en 1972, on a dû ajouter 25 secondes à UTC. Les ajouts sont effectués le 1er janvier ou le 1er juillet à 0 heure. La dernière seconde supplémentaire a été ajoutée le 1er juillet 2012. C’est le Centre de la rotation de la terre du Service International de la Rotation Terrestre et des Systèmes de référence (International Earth Rotation and reference systems Service, IERS), situé à l'Observatoire de Paris, qui prend ces décisions.

Pierre Baüer, Président du Bureau des Longitudes

Pierre Baüer est ingénieur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble (1964) et titulaire d’un doctorat de l’Université du Michigan (PhD 1968). Recruté au CNRS en 1969, il a exercé son activité successivement au Centre national d’études des télécommunications (1969-1984), au Service d’aéronomie du CNRS (1985-1994), au CESBIO, le Centre d’études spatiales de la biosphère (1995-1998), au LEGOS, le baboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS) (1999-2004) et à Météo-France comme directeur adjoint de la recherche.. Il est membre de l’Académie de l’Air et de l’Espace. Il a été trésorier (2006-2007) puis secrétaire général (2007-2010) de la Société Météorologique de France. Ses recherches ont concerné, dans une première phase, l’étude expérimentale de l’ionosphère, des phénomènes auroraux et de la thermosphère grâce à la technique de la diffusion incohérente des ondes électromagnétiques par l’ionosphère. Elles ont évolué ensuite vers la télédétection des couches denses de l’atmosphère et des calottes polaires.

Le Bureau des longitudes : « reprendre la maîtrise des mers aux anglais ! »

Le site Internet du Bureau des longitudes raconte une histoire étonnante : Le Bureau des longitudes est créé par une loi de la Convention Nationale du 7 messidor an III (25 juin 1795) après audition d'un rapport lu par l'abbé Grégoire qui affirme très clairement les buts pratiques : reprendre «la maîtrise des mers aux Anglais» grâce à l'amélioration de la détermination des longitudes en mer. Cet organisme doit donc, à l'instar du Board of Longitudes anglais, créé en 1714, résoudre les problèmes astronomiques que pose la détermination de la longitude avec une précision toujours meilleure. Il est également chargé de la rédaction de la Connaissance des Temps, publication annuelle contenant des tables astronomiques, créée en 1679. II doit aussi assurer la rédaction d'un «Annuaire propre à régler ceux de la République».

La place pour faire le point ? Dans la grange, dans la lande ?

D'une manière générale, le Bureau
des longitudes est chargé du perfectionnement des tables astronomiques.

II a sous sa responsabilité l'Observatoire de Paris, celui de l'École Militaire, et tous les instruments d'astronomie qui appartiennent à la Nation.

Les dix premiers membres sont restés célèbres, certains ont donné du fil à retordre aux élèves de math-sup : les géomètres Lagrange et Laplace, les astronomes Lalande, Delambre, Méchain et Cassini, les navigateurs Bougainville et Borda, le géographe Buache et l'artiste (fabricant d'instruments scientifiques) Caroché.

Premier procès-verbal du Bureau des Longitudes
(6 juillet 1795)

Parmi les membres actuels, on peut citer par exemple Nicole Capitaine, André Lebeau, Pierre Baüer, Pascale Delécluse, Bruno Frachon, Richard Bonneville et, comme membres correspondants Michel Lefebvre, Claude Boucher, Jean-Claude Husson, Georges Balmino, José Achache, Frédérique Rémy, Anny Cazenave, Pierre Briole. Jean-François Denisse, ancien président du CNES, est membre honoraire

L’Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Ephémérides

Le blog Un autre regard sur la Terre utilise souvent ses calculs d’éphémérides, comme ici pour la trajectoire d’Ariane 503 ou à nouveau l’anaglyphe de la Mecque.

En 1802 le Service des Calculs est créé pour assurer le calcul des éphémérides. En 1961, à l’initiative de André Danjon et Jean Kovalevsky, il devient le Service des Calculs et de Mécanique Céleste du Bureau des longitudes puis, en 1998, l'Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE) au sein de l'Observatoire de Paris.

Les deux entités, Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE) et le Bureau Des Longitudes, participent à l'élaboration des éphémérides nationales :

L'IMCCE est chargé de construire et publier des éphémérides. C'est également une unité de recherche associé au Centre National de la Recherche Scientifique
Le Bureau des longitudes est une académie de 16 membres et 32 correspondants (astronomes, géophysiciens et physiciens), travaillant dans leurs propres laboratoires, qui garantissent et définissent les missions de service public confiées à l'Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides. Le Bureau des longitudes est membre fondateur du Groupe de recherche de géodésie spatiale (GRGS).

Au dessus du Pacifique à l’est du Japon, la Terre et l’atmosphère avec une mer de stratocumulus photographiées par l’équipage de l’expédition 34 de l’ISS le 4 janvier 2013. Image n° ISS034-E-016601.
Crédit image : NASA

En savoir plus :

Pour assister à la conférence de Pierre Baüer : rendez-vous jeudi 14 février à 18h30 à la Cité de l’espace. L'entrée est libre et gratuite dans la limite des places disponibles.
Sur le site du Bureau des Longitudes, la présentation générale et l’histoire de cet organisme.
Sur le site de l'IGN, une présentation du Bureau des Longitudes par Nicole Capitaine, à l'occasion de la Journée de la Géodésie en octobre 2010.
Le site de l’Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Ephémérides.
Sur le site de l’Observatoire Midi-Pyrénées, les pages du Groupe de recherche de géodésie spatiale (GRGS).
Sur le site de l’International Earth Rotation and Reference Systems Service (Observatoire de Paris), une page pour le calcul des variations de la durée du jour et de l’axe de rotation de la Terre.
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