La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre1.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre1."— Transcription de la présentation:

1 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre1

2 2 Cours MASTER 1 Astronomie et Astrophysique Christian Bizouard Bureau 403 Bât. A tel.: ( ) Observatoire de Paris / SYRTE

3 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre3 La rotation uniforme En moyenne la Terre tourne en 23 heures 56 minutes par rapport aux étoiles (le système céleste) et en 24 heures par rapport au soleil. Cependant : • La direction de l’axe de rotation change par rapport aux étoiles (précession-nutation) et la croûte terrestre (polhodie) • La durée du jour présente des variations de l’ordre de quelques ms sur un siècle (variations relatives de quelques ), mesurables depuis 

4 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre4 Plan  «bestiaire» des effets selon leur cause I- Vue d’ensemble 1. Observations des effets géophysiques pour chaque composante de la rotation terrestre (MP, LOD/UT1, précession-nutation) 2. Base théorique : équations linéaires d’Euler-Liouville II- Effets de non-rigidité (rhéologie / structure interne) 1. Elasticité 2. Anélasticité 3. Découplage noyau-manteau pour période > 2 j du mouvement du pôle 4. Résonance à la fréquence de la FCN III- Forçage géophysique de la rotation terrestre (à partir de 2 jours) 1. Couches fluides superficielles: atmosphère / océans / eaux continentales (hydrologie) 2. Géodynamique 3. Couplage électromagnétique noyau/manteau (effet décennal sur le LOD) IV- Forçage astro-géophysique (diurne et sub-diurne) 1. Modification des nutations rigides 2. Marées solides / océaniques sur UT1/LOD et Mouvement du Pôle 3. Allongement séculaire du LOD Les éléments étudiés dans ce cours sont surlignés en rouge.

5 Précession découverte par Hipparque en 200 av. JC. « expliquée » par Newton à la fin du XVIIème siècle  Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre5 I. 1. Irrégularité astronomique : précession ans 23° 

6 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre6  (direction du soleil au printemps)  50 ’’/an I. 1. Irrégularité astronomique : précession

7 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre ans 40’’ ans 23° 13.6 jours 1’’ 182 jours I. 1. Irrégularité astronomique : précession + nutation Découverte de la nutation par Bradley au XVIIIème siècle

8 8 Terre sphérique Terre ellipsoïdale

9 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre9 I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide Terre rigide «astronomique» / Terre réelle «géophysique» Pour chacune des composantes de la rotation terrestre :  mouvement du pôle p = x – i y  durée du jour LOD ou vitesse de rotation  ou UT1 (  intégrée )  précession-nutation (dX, dY) on compare l’observation avec ce que donne la théorie d’une terre rigide : sans partie fluide et indéformable, soumise à la seule force gravitationnelle luni-solaire

10 10 C.S. Chandler ( ) S. Newcomb ( ) L. Euler ( ) I.1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie

11 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre11  Mouvement du pôle I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie

12 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre12  Mouvement du pôle : Terre rigide / Terre réelle R 432 j Source : IzIz R’ 303 j Terre rigide Terre réelle I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie

13 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre13  Mouvement du pôle géographique dans l’espace I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie

14 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre14  Spectre du mouvement du pôle Terre rigide Terre réelle Chandler en 430 j Euler en 303 j 1 an I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie

15 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre15 I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie  Solution C : x

16 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre16  Dérive du pôle I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie

17 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre17  Variations rapides du pôle (< 20 jours) I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie

18 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre18  Durée du jour : Terre rigide / Terre réelle s TAI I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : vitesse de rotation

19 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre19  Durée du jour : marée zonale et effet saisonnier 27.3 j I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : vitesse de rotation

20 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre20 I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : vitesse de rotation  Décomposition du LOD affranchi de l’effet de marée 27.3 j

21  Précession-Nutation : Terre rigide / Terre réelle Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre21 ~50 mas Seconde de degré Projection du pôle de rotation sur le plan équatorial céleste J2000  1/1/ /12/2007 I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : précession-nutation

22 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre22 I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide  Terre réelle

23 L’orientation de la Terre dans l’espace doit être connue très précisément pour réduire toutes les observations d’objets célestes ainsi que pour le lancement des sondes spatiales. A quoi bon connaître les irrégularités de la rotation?

24 Le radiotélescope de Svetloe (100 km au nord de Saint-Petersbourg) ’avènement

25 Les techniques modernes (4) Système de positionnement global (GPS) - à partir de deux données par jour - précision du positionnement relatif GPS usage scientifique : quelques millimètres GPS usage domestique : 10 mètres - constellation de 27 satellites à km de la Terre

26 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre26 I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide Effet observéAmplitudeCause Allongement de 140 jours de la période d’Euler (Chandler, 1891) élasticité, fluidité (Newcomb, 1892) *** Termes de Chandler et saisonnier du MP (Chandler, 1892) 200 masAtmosphère + Océans + Hydrologie (Newcomb 1896) ** Dérive séculaire du MP4 mas / anrebond post-glacière* Allongement séculaire du LOD (Spencer Jones 1926; de Sitter 1927)  LOD < 2 ms/siècle  UT1 < 70 s/siècle Friction lors des marées* Variations > 10 ans (Spencer Jones, 1926; de Sitter, 1927)  LOD : 2 ms  UT1 : 20 s Couplage noyau-manteau**** Variations saisonnières du LOD (Stoyko, 1937)  LOD : 0.5 ms  UT1 : 0.1 s Marées + Atmosphère (1960) + Océans (1990) **** Variations mensuelles et semi- mensuelles du LOD  LOD : 0.5 ms  UT1 : 5 ms Marées luni-solaires**** Ecart Nutation réelle / nutation Terre rigide ( par VLBI ) 50 masElasticité & noyau fluide (Hough, Shoudsky, 1895 ; Poincaré, 1910) **** Interprétation/modélisation actuelle : *Médiocre **Moyen ***Bon ****Très Bon ″ 0.01″ 0.001″ ″

27 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre27 I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide  Erreur de prévision et conséquence sur le positionnement : UT1 En 1 s la Terre accomplit un arc de 15″, soit 450 m à l’équateur. ImprécisionErreur de positionnement EquateurFrance Prévision sur 1 an0.3 s135 m100 m Prévision sur 10 j1 ms45 cm31 cm Observation temps réel ms2 cm1.5 cm Observation finalisée (10 jours après) ms4 mm 3 mm

28 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre28 I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide  mouvement du pôle  nutation ImprécisionErreur de positionnement Prévision sur 1 an50 mas1.5 m Prévision sur 10 j5 mas15 cm Observation temps réel0.1 mas0.31 cm Observation finalisée (5 j après)0.05 mas 0.15 cm ImprécisionErreur de positionnement Modèle + nutation libre< 1 mas Observation0.1 mas3 mm

29 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre29 I- Vue d’ensemble : 2. Base théorique  m1 m1 x z  <1”  m2 m2  (1+m 3 ) y

30 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre30 I. 2. Base théorique : équation d’Euler-Liouville  Théorème du moment cinétique dans le repère terrestre  Système mécanique : la Terre incluant ses couches fluides

31 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre31 I. 2. Base théorique : Axes principaux d’inertie moyens x y z IAIA IBIB ICIC

32 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre32 I. 2. Base théorique : linéarisation  Linéarisation des équations d’Euler-Liouville Excitation géophysiqueExcitation “observée” •Découplage des effets •Mais déformation c(t) dépend de m(t) pour une Terre réelle

33 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre33 I. 2. Base théorique : biaxialité  Linéarisation + biaxialité (A=B)  Mouvement libre d’Euler à la pulsation (T e = 303 j)  Notations complexes / plan équatorial : x y h L z

34 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre34 II. Effets de non-rigidité : 1. Elasticité

35 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre35 II.1. Elasticité : allongement de la période d’Euler  Allongement de la période d’Euler de 130 jours selon Newcomb (1892) ĪR > IR   c <  e

36 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre36 II.1. Elasticité : allongement de la période d’Euler  Variation du potentiel centrifuge  Love : à toute variation de degré 2, W 2,du potentiel externe correspond une variation  U du géopotentiel  Or Formule de MacCullag

37 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre37 II.1. Elasticité : équations d’Euler-Liouville   pure : excitation géophysique sans la déformation centrifuge élastique :  c (t)=k 2 /k s m(t)  Pulsation d’Euler  pulsation de Chandler  T e = 303 j  T c = 430 j  e )  (1- k k s 2 0.7

38 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre38 II.2. Effet de non rigidité : Anélasticité Elasticité Anélasticité

39 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre39 II. 2. Anélasticité : fonction de transfert

40 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre40 II. 2. Anélasticité : largeur du pic de Chandler  

41 41 III. Forçage des couches fluides externes Impact sur la vitesse de rotation de la Terre solide (à la hauteur de  et la direction de son axe (oscillations de quelques mètres à la surface) Océans Atmosphère Eaux continentales: lacs, rivières, glaciers, …

42 42 III. Couplage fluide / terre solide Effet équatorial > effet axial en raison de l’aplatissement (effet gyroscopique) Moment des marées luni-solaires: kg m 2 s -2 Pression Moment équatorial ~ kg m 2 s -2 Moment axial ~ 0, kg m 2 s -2

43 43 Approche classique: conservation moment cinétique Terre solide + fluide  Moment cinétique de la Terre H = C  = 6, kg m 2 s -1  Pression atmosphérique = 1 Bar  Masse de l’atmosphère : * masse de la Terre  moment cinétique de l’atmosphère H A =10 -6 H  Variation de pression atmosphérique: 10 mBar = 1% de la pression atmosphérique  Variation du moment cinétique atmosphérique  H A ~10 -8 H   H A =  H = C  variation relative de la vitesse de rotation de l’ordre de (1 ms sur la durée du jour) Pour la direction de l’axe, l’effet (10 -6  rad  est démultiplié par l’aplatissement

44 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre44 III. Variation annuelle de la pression atmosphérique  masse par unité de surface (Sidorenkov, 2002) en g/cm 2  100 Pa  100/10 5 = pression en surface

45 45 III. « Confrontation » au moments cinétiques fluides Observations du mouvement du pôle / durée du jour Excitation « fluide » Incrément de moment d’inertie Moment cinétique relatif Observations: •météorologique •océanographique •hydrologique … Conservation du moment cinétique du système {Terre solide + fluides} Excitation « géodésique »

46 46  Couverture croissante de la surface terrestre par les observations de pression, de vents, de température, du niveau de la mer  Développement de l’informatique (stockage des données /calcul)  Elaboration de modèle de circulation ou de stockage hydrologique  Evaluation des moments cinétiques associés aux fluides: termes « matière » et « mouvement »  Atmosphère :  dès (Lambeck & Cazenave 1973)  Production de séries routinières depuis 1990  Océans : depuis 1990  Eaux continentales: depuis 2000  Création d’un centre de l’IERS pour les « fluides géophysiques » Estimation des moments cinétiques des couches fluides

47 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre47 III. Couches fluides: équations d’Euler-Liouville  OBSERVATION COORDONNEES DU PÔLE p = x-i y & PARAMETRE THEORIQUE m  observation : orientation repère terrestre / repère céleste  mesure des coordonnées du pôle céleste intermédiaire (p=x-iy) et non de R (m = m 1 + im 2 ).  CIP et R, pratiquement confondus sauf pour oscillations < 2 jours (20 mas d’écart):  Pour « p » Euler-Liouville se simplifie : R CIP x -y m1m1 m2m2

48 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre48  Sans effet de charge  Effet de charge : déformation de la Terre solide par la couche fluide : pression / hauteur d’eau III. Couches fluides: déformation de charge P

49 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre49 III. Couches fluides: déformation de charge  Euler-Liouville avec effet de charge

50 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre50 III. Calcul des excitations  Terme matière / pression : équilibre hydrostatique + approximation couche mince : intégrale de la pression en surface :  Terme mouvement / vent  x y z  vv vv

51 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre51 III. Réaction des océans à l’atmosphère  Modèle “baromètre inversé” L’océan se réajuste pour rester en équilibre hydrostatique avec l’atmosphère  Modèle “non-baromètre inversé” : la surface non déformée ; pression atmosphérique totalement transmise sur le plancher.  Modèle dynamique (ECCO, MIT) : friction au fond des océans Pression atmosphérique Partie océanique de la pression Pression transmise Pression atmosphérique

52 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre52 III. Atmosphère / Océans : ordre de grandeur  Moment cinétique total de la Terre H terre  C  = 6, kg m 2 s -1 atmosphèreocéans MASSE  masse de la Terre (pression moyenne à la surface de 10 5 Pa)  masse de la Terre x : valeur moyenne négligeable terme saisonnier  kg m 2 s -1  kg m 2 s -1 y : valeur moyenne  kg m 2 s -1 négligeable terme saisonnier  kg m 2 s -1  kg m 2 s -1 z : valeur moyenne  kg m 2 s -1  kg m 2 s -1 terme saisonnier  kg m 2 s -1 (vent)  kg m 2 s -1

53 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre53 III. Atmosphère : spectre de l’excitation équatoriale  Spectre excitation équatoriale

54 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre54 III. Atmosphère: excitation équatoriale  Excitation atmosphérique : variations rapides

55 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre55 III. Atmosphère / Océans : excitation équatoriale  Excitation atmos. + océanique : variations rapides

56 Atmos Atmos + Océans 56 III. Combinés à l’atmosphère, les océans expliquent mieux l’excitation du mouvement du pôle

57 57 III. Excitation axiale: en deçà de 10 ans, les irrégularités résultent essentiellement du vent

58 58 III. Excitation axiale: voit-on des effets « régionaux »? El-Nino ( )

59 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre59 III. Hydrologie : modélisation  Modèle hydrologique  stockage de l'eau Δq kg/m2 Climate Prediction Center (CPC)

60 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre60 GRAVITY RECOVERY AND CLIMATE EXPERIMENT III.Hydrologie : GRACE GRAVITY RECOVERY AND CLIMATE EXPERIMENT Center for Space Research CSR Jet Propulsion Laboratory JPL GeoForschungsZentrum GFZ Groupe de Recherche en Géodésie Spatiale GRGS

61 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre61 III. Fonction de transfert anélastique

62 62 Mouvement du pôle: bilan de l’excitation GPS HYDROHYDRO OCÉANSOCÉANS ATMOSPHEREATMOSPHERE VLBI SLR OPTIQUEOPTIQUE

63 63 Durée du jour: bilan de l’excitation HYDROHYDRO OCÉANSOCÉANS ATMOSPHEREATMOSPHERE GPS VLBI SLR OPTIQUEOPTIQUE

64 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre64 Synthèse de l’interprétation actuelle ForçageTerrePrécession- nutation LODPM Aucun rigide--Mvment libre à 303 jours élastique--Mvment libre à 430 jours Forçage géophysique couches fluides superficielles élastique< 1 masBiennaux (0.1 ms) Saisonniers (0.5 ms) Chandler à 430 j au niveau de 200 mas + Effets saisonniers (100 mas) et rapides (5 mas) anélastiqueAmortissement Chandler Couplage noyau-manteau élastique + noyau fluide -> 10 ans jusqu’à 5 ms - Forçage astronomique rigidePrécession : 50" /an nutation : 20" -~ 0.05 mas élastique + noyau fluide Ampli. des nutations rétro. (~20 mas, 1%) - élastiquePerturbation de 0.01% : 1 mas Marées zonales 0.3 ms - anélastiqueDéphasage de 0.01°2 ms / siècle- marées océaniques 1 mas0.1 ms0.5 mas

65 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre65 Problèmes en suspend…  Effets > 10 ans sur le LOD et couplage électromagnétique noyau-manteau : on y aussi clair que dans le marc de café  Excitation du terme de Chandler encore ambiguë  Variation hydrologique à mieux cerner (GRACE, modélisation)  Estimer correctement l’excitation atmosphérique / océanique < 2 jours.

66 En plus: marées et couplage noyau-manteau 66 Marées océaniques et solides Manteau Noyau Graine Fluides superficiels Couplage noyau-manteau Autres effets (séismes, tectonique) beaucoup plus petits ou présentant une échelle de temps séculaire (rebond post-glacière, freinage du à la Lune)

67 67  Effet des couches fluides identifiable dans le mouvement du pôle et les variations de la durée du jour Peut-on isoler l’effet des couches fluides? EffetsEchelle de temps principale Qualité de la modélisation Marées solides et océaniques 12 h – 18,6 ansTrès bien modélisées Couplage noyau- manteau À partir de 6 ansMal connue Couches fluides12 heures- 2 ansEstimation satisfaisante à partir des modèles de circulation hydro- météorologiques.

68 68/19 Conclusion  Les irrégularités de la rotation terrestre s’expliquent en grande partie par les variations de moment cinétique des couches fluides externes.  Variation de la durée du jour (<6 ans, ~1 ms) : Atmosphère (vent)  Mouvement du pôle (~10 m): Atmosphère + Océans + Eaux continentales  Effets bien modélisés sauf pour ce qui concerne les eaux continentales, les phénomènes diurnes ou décennaux

69 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre69 Nouveau challenge : le sub-diurne…  Gyrolaser de Wetzell  Combinaison multi-technique (VLBI/GPS/SLR/DORIS) : GINS-DYNAMO à l’Observatoire de Paris


Télécharger ppt "Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre1."

Présentations similaires


Annonces Google