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Adapté de Observatoire de Lyon – Université

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Présentation au sujet: "Adapté de Observatoire de Lyon – Université"— Transcription de la présentation:

1 Adapté de Observatoire de Lyon – Université Lyon 1 Lévolution de lorbite terrestre

2 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 2 Lensoleillement et sa variabilité en un endroit de la Terre sont conditionnés par de très nombreux facteurs que lon peut classer en externes : distances Terre Soleil, vitesses sur lorbite, inclinaison… internes :position sur la Terre, dérive des continents, relief, rotation diurne, composition de latmosphère, etc. Les facteurs externes proviennent essentiellement du trio Soleil-Terre-Lune lié gravitationnellement. Ceci impose la position réciproque des corps en distances, vitesses et orientation. Au cours des milliers de millénaires (millionnaires ?), les perturbations réciproques déforment les orbites et subissent des variations quasi- périodiques. Tout ceci influe sur lensoleillement reçu et conditionne en partie le climat.

3 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 3 Lorbite de la Terre et les paramètres variables Les principaux effets sont : - la précession des équinoxes et du périhélie - l'obliquité changeante - la variation de la forme de l'orbite terrestre Article de référence : J. Laskar, F. Joutel, and F. Boudin. Orbital, precessional, and insolation quantities for the Earth from -20 Myr o +10 Myr. Astron. Astrophys. 270, , J. Laskar, B. Levrard, J. Mustard, " Orbital forcing of the martian layered deposits", Nature, 26 septembre 2002 La Terre seule dans lUnivers avec le Soleil possèderait une orbite képlérienne fixe : orbite coplanaire elliptique, etc. Les principales perturbations sont dues à : - la présence de la Lune - le bourrelet équatorial du à la rotation de la Terre sur elle-même et aux marées - les autres planètes du système solaire (Jupiter, puis Saturne…)

4 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 4 Précession et rotation du périhélie Les saisons se définissent par rapport au point vernal ( ). Rappel : la direction du point est celle définie par lintersection des plans écliptique et équateur. Des deux directions de laxe, celle choisie (par convention) est celle du Soleil lorsquil passe de lhémisphère sud au nord. Le décalage de ce point sur lorbite résulte de : –la précession de laxe de rotation –lavance du périhélie Lensemble est la précession climatique. Par construction, à ce moment là, laxe de rotation de la terre est orthogonal au rayon Soleil-Terre.

5 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 5 Période de déplacement du périhélie par rapport au point ? La dissymétrie des saisons a donc une période denviron ans. Précession et rotation du périhélie Une perturbation de ans de période se superpose. On observe alors deux périodes de et ans Précession (inverse)0,013670° Mvt du périhélie (direct)0,003279° résultante 0,016949°/an

6 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 6 Rotation du périhélie seule Rotation de laxe (effet de toupie) Rotation du point par rapport au périhélie. Les deux précessions influent sur la distance Soleil-Terre aux différentes saisons.

7 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 7 Effets de la rotation du périhélie Au moment de la saison froide, lhémisphère nord (solstice dhiver) reçoit 7% de plus dénergie que le sud (au solstice dhiver). Lhiver y est moins rigoureux. Inversement en été, la saison est moins chaude. En 2000, le périhélie est proche du solstice dhiver. Quelle est la différence d insolation due aux variations de distance entre les solstices ? L équation de lellipse donne les distances au périhélie et à laphélie L énergie reçue étant inversement proportionnelle au carré de la distance Ce phénomène est atténué par les grand courants de circulation en altitude qui amène de la chaleur de léquateur vers les pôles.

8 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 8 Effets de la rotation du périhélie Dans un demi cycle, ans environ, les effets seront inversés. Ce fut le cas vers -3250, où le périhélie était à léquinoxe dautomne. Cétait le temps des premières pyramides. Les pyramides étaient-elle entourées de jardins verdoyants ? Les contrastes sont les plus faibles lorsque le passage de la Terre au périhélie se fait vers les équinoxes. Quamène la rotation du périhélie ? Le changement cyclique de la dissymétrie densoleillement été hiver

9 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 9 Effet direct sur lensoleillement global (très faible) et sur la dissymétrie été-hiver. Période : ans (et ans). Lexcentricité varie aussi à long terme, entre les valeurs extrêmes de 0.0 et Actuellement e = 0,0167 et a tendance à décroître. La variation de la forme de l'orbite terrestre (excentricité)

10 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 10 Excentricité et accentuation des saisons Variations de l énergie reçue au périhélie et à laphélie avec l excentricité Voir TD Calcul durées des saisons.

11 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 11 Variations de lexcentricité Effet sur lensoleillement (global sur un an) : Analyse spectrale :

12 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 12 Périodes : ans et ans. Valeurs extrêmes de 0.0 et Actuellement e = 0,0167

13 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 13 Courbe théorique par intégrations numériques Analyse spectrale PériodeAmplitudePhase ,15? 4121,00? 1310,26? 1230,41? 990,35? 950,58? Excentricité

14 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 14 Variation de lexcentricité - Travail sur Excel On tabule langle de 0 à 360 par 0.5 Calcul de a, b, c pour différentes excentricité Calcul de ro pour chaque e. Calcul de x et y ramené au centre de lellipse.

15 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 15 Variation de lexcentricité - Travail sur Excel Ce que lon voit dans les livres Et la réalité

16 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 16 Variation de lexcentricité - Travail sur Excel

17 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 17 L'excentricité lors de ces 5 millions d'années L'excentricité lors de ces dernières années Variations et périodicité des variations de lexcentricité Résultats par synthèse de calculs de mécanique céleste et de données paléontologiques. Extraction des périodes de variations ? Analyse de Fourier

18 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 18 Analyse spectrale Méthodes utilisées pour mettre en évidence les composantes périodiques dans une courbe. Elle élimine les bruits qui perturbent la lecture du signal Elle permet de distinguer les différents éléments qui compose le signal. La transformation de Fourier est l'une des méthodes utilisées fréquemment en analyse spectrale. Elle permet de reconnaître toutes les composantes périodiques (CP) présentes dans une courbe. Exemple : - les courbes A et B sont caractérisées chacune par une composante périodique de fréquence différente mais de même amplitude. - la courbe C, qui résulte de la combinaison de deux cycles différents, est caractérisée par deux composantes périodiques. Bibliographie : A.Foucault, 1993.

19 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 19 Variations et périodicité des variations de lexcentricité

20 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 20 Variations et périodicité des variations de lexcentricité Phénomène complexe du au nombreuses causes de perturbation Les fréquences des perturbations se répercutent sur les autres paramètres.

21 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 21 Les variations de la précession et périhélie La combinaison des deux précessions donne la précession climatique. Elle est définie par la variation de l'angle entre le périhélie et l'équinoxe de printemps. Les variations modulées par lexcentricité variable : Analyse spectrale : La période de ans est décomposée par la modulation de variations à longs termes.

22 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 22 Essai de reconstitution de variations dexcentricité

23 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 23 Variations de lobliquité ou inclinaison de laxe de rotation En plus du grand mouvement de précession qui naffecte pas linclinaison, laxe de rotation subit des variations. Obliquité : inclinaison de laxe de rotation de la Terre par rapport à la normale au plan de lécliptique. Rappel : si lobliquité était nulle, il ny aurait pas de variation densoleillement sauf celle due à lexcentricité, donc pratiquement pas de saisons alternées entre le nord et le sud.

24 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 24 Variations de lobliquité ou inclinaison de laxe de rotation des perturbations gravitationnelles dues à la Lune, au Soleil et aux planètes (dissymétrie du bourrelet équatorial). La nutation. En plus du grand mouvement de précession qui naffecte pas linclinaison, laxe de rotation subit des variations sous leffet : Lobliquité varie entre 21,5° et 24,5°. Actuellement elle vaut 23°26 = 23,43° Période du cycle : ans des grands mouvements de déplacement des continents des mouvements de convection à lintérieur de la Terre

25 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 25 Variations de lobliquité (inclinaison de laxe de rotation de la Terre « sur l écliptique ») La mécanique céleste et les observations permettent de calculer ses variations passées et aussi futures. Elle varie entre 21,5° et 24,5°. Et vaut actuellement 23°26 = 23,44° Sa période tirée de lanalyse spectrale est denviron ans

26 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 26 Effets perturbateurs et stabilisateurs La présence de tous les membres de la famille du système solaire est la cause de toutes les perturbations qui vont influer sur lenvironnement climatique de la Terre. Labsence de certains des membres pourrait être encore plus catastrophique. Vénus planète seulette sans compagnon, un peu plus près du Soleil que la Terre, a comme caractéristiques : - une rotation sur elle-même inverse - une rotation très lente. Deux exemples : Vénus et la Lune. Explications probables : - retournement de laxe par les perturbations des grosses planètes - synchronisation de la rotation sur les passages de la Terre.

27 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 27 Effets perturbateurs et stabilisateurs La Lune Simulation des variations de lobliquité de la terre sur deux millions dannées 2 - un million dannées sans la Lune 1 – un million dannées avec tous les corps du système solaire. Les variations deviennent chaotiques et les variations densoleillement ne laissent rien présager de bon. Biblio : Laskar Les relations Terre-Soleil seraient-elles lunatiques.

28 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 28 FIN

29 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 29 Effet sur le climat

30 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 30 L'astronome Serbe Milutin Milankovitch a démontré entre 1920 et 1941 que toutes ces variations sont la cause des glaciations que la Terre a subies. La dernière grande glaciation a connu son maximum il y a ans, les températures étaient inférieures d'environ six degrés à celles actuelles et on peut s'attendre à un retour de la glace dans plusieurs dizaines de milliers d'années. Origine astronomique des cycles de Milankovitch La théorie astronomique des climats est basée sur l'idée que les variations à long terme (ou séculaires) des paramètres de l'orbite et de la rotation terrestre engendrent des variations de l'ensoleillement (ou insolation) reçue à la surface de la Terre, ces variations pouvant entraîner des changements climatiques dont la trace est parfois enregistrée ou gravée dans certains indicateurs paléoclimatiques et séquences géologiques.

31 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 31

32 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 32 Toutes les influences directes sont regroupées dans la théorie de Milankovitch (1930) Les périodes de glaciation / réchauffement devraient suivre les grandes variations de lensoleillement dues aux paramètres de lorbite de la Terre. différents cycles dactivités, bien représentés par le nombre de taches à sa surface, le plus connu étant celui de 11 ans... Mais il faut y ajouter les variations du rayonnement du Soleil : une lente augmentation depuis sa naissance

33 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Et plus récemment, l activité humaine! Les cycles provoqués par les variations des éléments orbitaux sont des variations lentes et sinusoïdales En réalité, les effets sont très complexes et sont perturbés par des rétroactions amplificatrices ou modératrices : composition atmosphérique :effet de serre (CO 2, CH 4 …) couvertures nuageuses avec variation des surfaces couvertes par les glaces : variations dalbedo échanges océans - atmosphère : transports de chaleur grands courants marins océaniques et sub-océaniques : temporisation par la masse des océans échanges biosphère / atmosphère :développement de la matière organique mouvements tectoniques avec orogénèse et subduction : oxydation des roches volcanisme : production de CO 2 Les observations tirées des carottes dans les sédiments des mers, des glaces polaires permettent dobtenir les variations de composition, de températures et... et l on observe des variations en dents de scie.

34 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 34 Les glaciations sont lentes et les déglaciations rapides Nous sommes actuellement dans un âge interglaciaire en attendant la prochaine glaciation si les effets anthropiques ne contrebalancent pas les effets naturels.

35 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 35 Mais dans lanalyse de l abondance de H 2 18 O dans les carottes des glaces polaires, qui est un bon reflet de la température, lanalyse spectrale des variations fait apparaître toutes les périodes des phénomènes astronomiques. La corrélation évolution du climat, variation de l orbite de la Terre, ou théorie de Milankovitch est donc bien établie.

36 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 36 Lobservation aux échelles géologiques, montre une évolution non périodique avec des oscillations dont les amplitudes sont beaucoup plus grandes que celles prédites. Le trait jaune correspond à l augmentation continue du rayonnement solaire depuis 4 milliards dannées. A remarquer : nous sortons dune période igloo

37 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 37 Les géophysiciens et les paléontologues, en ont conclu que les variations densoleillement sont les effets déclencheurs de phénomènes amplificateurs ou modérateurs, tels la composition de latmosphère, la surface de glace aux calottes polaires, etc. Mais il est remarquable quau Quaternaire, il est dénombré 17 cycles glaciation-réchauffement, tous en phase avec les variations des éléments de lorbite terrestre.

38 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 38 Précession et rotation du périhélie Constante de la précession Précession luni-solaire : 50,39 » Précession générale : 50, soit années Constante de Gauss

39 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 39 Les variations saisonnières d'insolation associées au cycle de précession dépassent souvent 10%. Il s'agit du principal forçage climatique à l'échelle des milliers d'années.

40 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 40 Variations de lobliquité (suite) En moyenne annuelle, les variations de l'insolation sont : aux hautes latitudes, l'impact est de quelques pour cent. aux pôles en phase avec l'obliquité à l'équateur en opposition de phase. Aux latitudes non tropicales, quand l'inclinaison est plus forte, les étés sont plus chauds et les hivers plus froids. Au voisinage du pôle les variations d'inclinaison se traduisent par une fluctuation de 14% de l'énergie interceptée au solstice d'été.

41 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 41 L'obliquité de la Terre Evolution de l'obliquité de l'écliptique dans le temps


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