L’évolution de l’orbite terrestre Adapté de http://la.climatologie.free.fr/glaciation/glaciation.htm Observatoire de Lyon – Université Lyon 1

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) L’ensoleillement et sa variabilité en un endroit de la Terre sont conditionnés par de très nombreux facteurs que l’on peut classer en externes : distances Terre Soleil, vitesses sur l’orbite, inclinaison… internes : position sur la Terre, dérive des continents, relief, rotation diurne, composition de l’atmosphère, 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 l’ensoleillement reçu et conditionne en partie le climat. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) L’orbite de la Terre et les paramètres variables La Terre seule dans l’Univers 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…) 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, 522-533, 1993. J. Laskar, B. Levrard, J. Mustard, " Orbital forcing of the martian layered deposits", Nature, 26 septembre 2002 Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Précession et rotation du périhélie Les saisons se définissent par rapport au point vernal ( ). Rappel : la direction du point  est celle définie par l’intersection des plans écliptique et équateur. Des deux directions de l’axe, celle choisie (par convention) est celle du Soleil lorsqu’il passe de l’hémisphère sud au nord. Par construction, à ce moment là, l’axe de rotation de la terre est orthogonal au rayon Soleil-Terre. Le décalage de ce point sur l’orbite résulte de : la précession de l’axe de rotation l’avance du périhélie L’ensemble est la précession climatique. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Précession et rotation du périhélie Période de déplacement du périhélie par rapport au point  ? Précession (inverse) 0,013670° Mvt du périhélie (direct) 0,003279° --------------- résultante 0,016949°/an La dissymétrie des saisons a donc une période d’environ 21 000 ans. Une perturbation de 400 000 ans de période se superpose. On observe alors deux périodes de 19000 et 23000 ans Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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

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

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Effets de la rotation du périhélie Qu’amène la rotation du périhélie ? Le changement cyclique de la dissymétrie d’ensoleillement été hiver Dans un demi cycle, 10 000 ans environ, les effets seront inversés. Les contrastes sont les plus faibles lorsque le passage de la Terre au périhélie se fait vers les équinoxes. Ce fut le cas vers -3250, où le périhélie était à l’équinoxe d’automne. C’était le temps des premières pyramides. Les pyramides étaient-elle entourées de jardins verdoyants ? Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) La variation de la forme de l'orbite terrestre (excentricité) L’excentricité varie aussi à long terme, entre les valeurs extrêmes de 0.0 et 0.065. Actuellement e = 0,0167 et a tendance à décroître. Effet direct sur l’ensoleillement global (très faible) et sur la dissymétrie été-hiver. Période : 100 000 ans (et 400 000 ans). Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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

Variations de l’excentricité Analyse spectrale : Effet sur l’ensoleillement (global sur un an) : Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Valeurs extrêmes de 0.0 et 0.065. Actuellement e = 0,0167 Périodes : 100 000 ans et 400 000 ans. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Excentricité Courbe théorique par intégrations numériques Analyse spectrale Période Amplitude Phase 2000 0,15 ? 412 1,00 ? 131 0,26 ? 123 0,41 ? 99 0,35 ? 95 0,58 ? Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Variation de l’excentricité - Travail sur Excel On tabule l’angle q 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 l’ellipse. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Ce que l’on voit dans les livres Variation de l’excentricité - Travail sur Excel Et la réalité ► Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Variations et périodicité des variations de l’excentricité L'excentricité lors de ces 5 millions d'années L'excentricité lors de ces 500 000 dernières années Résultats par synthèse de calculs de mécanique céleste et de données paléontologiques. Extraction des périodes de variations ? ► Analyse de Fourier http://la.climatologie.free.fr/glaciation/glaciation.htm# Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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

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

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

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Les variations de la précession et périhélie Les variations modulées par l’excentricité variable : 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. Analyse spectrale : La période de 21 000 ans est décomposée par la modulation de variations à longs termes. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Essai de reconstitution de variations d’excentricité Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Variations de l’obliquité ou inclinaison de l’axe de rotation Obliquité : inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport à la normale au plan de l’écliptique. Rappel : si l’obliquité était nulle, il n’y aurait pas de variation d’ensoleillement sauf celle due à l’excentricité, donc pratiquement pas de saisons alternées entre le nord et le sud. En plus du grand mouvement de précession qui n’affecte pas l’inclinaison, l’axe de rotation subit des variations. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Variations de l’obliquité ou inclinaison de l’axe de rotation En plus du grand mouvement de précession qui n’affecte pas l’inclinaison, l’axe de rotation subit des variations sous l’effet : des perturbations gravitationnelles dues à la Lune, au Soleil et aux planètes (dissymétrie du bourrelet équatorial). La nutation. des grands mouvements de déplacement des continents des mouvements de convection à l’intérieur de la Terre L’obliquité varie entre 21,5° et 24,5°. Actuellement elle vaut 23°26’ = 23,43° Période du cycle : 41 000 ans Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Variations de l’obliquité (inclinaison de l’axe 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 l’analyse spectrale est d’environ 41 000 ans Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 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 l’environnement climatique de la Terre. L’absence de certains des membres pourrait être encore plus catastrophique. Deux exemples : Vénus et la Lune. 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. Explications probables : - retournement de l’axe par les perturbations des grosses planètes - synchronisation de la rotation sur les passages de la Terre. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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

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

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

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 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 22 000 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. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) 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 (CO2, CH4…) couvertures nuageuses avec variation des surfaces couvertes par les glaces : variations d’albedo échanges océans - atmosphère : temporisation par la masse des océans grands courants marins océaniques et sub-océaniques : transports de chaleur échanges biosphère / atmosphère : développement de la matière organique mouvements tectoniques avec orogénèse et subduction : oxydation des roches volcanisme : production de CO2 . . . Et plus récemment, l ’activité humaine! Les observations tirées des carottes dans les sédiments des mers, des glaces polaires permettent d’obtenir les variations de composition, de températures et ... et l ’on observe des variations en dents de scie. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) Mais dans l’analyse de l ’abondance de H218O dans les carottes des glaces polaires, qui est un bon reflet de la température, l’analyse 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. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20) L’observation 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 d’années. A remarquer : nous sortons d’une période igloo Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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

Précession et rotation du périhélie Constante de la précession Précession luni-solaire : 50,39 » Précession générale : 50,290966 soit 25770 années Constante de Gauss Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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

Variations de l’obliquité (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. Terre : évolution de l'orbite - (2007/03/20)

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