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La Terre, berceau de l'Humanité

Avant-propos (I)

Vue de l’espace, la beauté de la Terre est exceptionnelle et provoque une grande émotion en chacun de nous. Ce beau globe bleu azur comme suspendu dans l'éternité affiche des océans sur les trois-quarts de sa surface, une circulation atmosphérique turbulente et des zones continentales plus ou moins colorées.

Avec ses étendues bleues parsemées de bandes nuageuses éparses et ses taches continentales délicatement ciselées dont la couleur se modifie au gré des saisons, la Terre ressemble à un organisme vivant à l'origine de la théorie de Gaïa. Mais quoiqu'on pense de cette théorie, la Terre est une entité autonome ce qui en soi est déjà merveilleux d'un point de vue thermodynamique et presque ou carrément miraculeux sur le plan biologique.

La troisième planète du système solaire est un cas unique. En orbite autour d’une banale étoile située quelque part en périphérie de la Voie Lactée, la Terre a le privilège d’abriter la vie. C’est la seule planète connue où la vie ait pu se développer. Le milieu très dense et relativement chaud était propice au développement de la chimie organique. Le hasard et la nécessité firent le reste. Mais cela ne veut pas dire que la vie n’existe pas ailleurs et nous prendrons le temps d'examiner cette question dans le dossier consacré à la bioastronomie.

A voir : Image IR de la Terre à 12h GMT

L'étude de la Terre embrasse de nombreuses disciplines qui mêlent la météorologie, la géologie, l'océanographie, la géographie, la volcanologie, la sismologie mais aussi la biologie, la biochimie, la géodésie, le géomagnétisme, la mécanique céleste et une quantité de sciences nouvelles basées sur l'exploration spatiale pour ne citer que la télédétection.

A travers son extraordinaire diversité notre planète justifie bien plus qu'une encyclopédie pour cerner tous les mécanismes qui la gouvernent, les propriétés de la matière inerte et vivante. Nous ferons ici un résumé succinct des principales propriétés de cet écosystème dont les éléments sont en harmonie, en parfaite symbiose les uns avec les autres depuis des milliards d'années.

Nous passerons dans cet article les thèmes suivants en revue :

- Les lois de la mécanique céleste (cette page ci)

- La géodésie et la géologie

- La structure tectonique

- Le géomagnétique

- L'atmosphère

- Les océans.

D'autres sujets ont été traités dans des articles séparés tels que le volcanisme, les marées, vagues scélérates et tsunamis, les régions polaires, la météorologie, l'évolution du climat, les questions d'écologie et environnementales, les grandes étapes de l'évolution de la Terre et de la vie, la biologie et la paléontologie.

Les lois d'une mécanique complexe

La Terre se situe à environ 149597870 kilomètres du centre du Soleil, distance qui définit également l’étalon de l’Unité Astronomique (UA). En réalité, orbitant sur une trajectoire légèrement elliptique, au périhélie (en hiver dans l'hémisphère Nord) la Terre se trouve à 147 millions de km du Soleil et à 152 millions de km à l'aphélie (en été dans l'hémisphère Nord).

Oui, la Terre est ronde et même sphérique !

A gauche, deux siècles avant notre ère, Eratosthène remarqua que le 21 juin l’ombre du Soleil à Alexandrie et à Sienne faisait un écart de 7.20°. Cet écart ne pouvait s’expliquer que par la courbure de la Terre. Cet écart représentait 5000 stades qui, reportés sur toute la circonférence représentait 252000 stades, soit environ 39751 km (comparée à la valeur moderne de 40075 km) ! Mais il faudra attendre 1700 ans pour que sa théorie soit prise au sérieux par Copernic. A droite, une manière simple de prouver que la Terre est ronde : à midi à l'équateur, il fait nuit aux antipodes alors que si la Terre était plate, il n'y aurait jamais de nuit à la surface de la Terre, CQFD. Documents T.Lombry

Notre planète se caractérise par ses 4 saisons (et 2 sous les tropiques), phénomène météorologique induit par l'inclinaison de son axe de rotation (ou obliquité sur l'écliptique) de 23°26'13" (2017) par rapport à la normale. Cette inclinaison a pour autre conséquence de répartir inégalement la chaleur. Ainsi dans l'hémisphère Nord, l'hiver dure trois jours de moins que l'été et est moins rigoureux que celui de l’hémisphère Sud qui se produit six moins plus tard. L’été est également moins torride dans l’hémisphère Nord que dans l’hémisphère Sud. Enfin, c’est parce que l'orbite terrestre est légèrement elliptique (excentricité de 0.017), qu’elle ne parcourt pas les quatre époques de l'année à la même vitesse, en application de la loi des aires de Kepler.

Mise à part l’impression que vous ressentez lorsque vous avez trop copieusement arrosé un repas , la Terre tourne également sur elle-même, effectuant une rotation complète en 23h 59m 4s qui définit la longueur ou durée du jour. Chacun le sait évidemment, mais beaucoup de personnes ignorent que cette vitesse n’est pas constante. Faisons une petite digression bien surprenante.

Calcul de la durée de l'année tropique. Grâce à la 3e loi de Kepler inventée au XVIIe siècle ("le carré de la période sidérale T d'un astre est directement proportionnel au cube du demi-grand axe a de la trajectoire elliptique de l'astre") on peut calculer la longueur de l'année terrestre, c'est-à-dire la période ou révolution sidérale.

Suite aux perturbations engendrées par les marées sur lesquelles nous reviendrons et autres frottements des plaques tectoniques sur l’écorce terrestre, la Terre subit un freinage séculaire qui rallonge la durée du jour d’environ 2 millièmes de seconde par siècle. Chiquenaude, pichenette me direz-vous mais qui est loin d’être négligeable au fil du temps. Constatez par vous-même.

Il y a environ 4 milliards d’années, lorsque la vie est apparue sur la Terre, celle-ci tournait comme une toupie, ou presque; la longueur du jour dépassait à peine 6 heures ! Ensuite, durant l'époque Archéenne cette durée a progressivement augmenté de 14 à 18 heures entre 3.8 et 2.5 milliards d'années. Il y a 550 millions d’années, au tout début du Cambrien, les premiers animaux marins devaient se contenter de 20 heures. Les trilobites et la majorité des coraux ne s’y sont visiblement pas habitués et se sont éteints. Dans 5 milliards d’années nous aborderons les “anni horribilis” lorsque le Soleil deviendra une géante rouge en grillant peut-être la Terre sur son passage.

Dans quelques milliards d'années, l’orbite de la Terre se sera légèrement plus grande et la durée du jour sera égale à la durée du mois. Très pratique quand on doit achever en un jour le travail d’un mois ! Ensuite, comme un problème ne vient jamais seul, vous n’aurez pas assez de 24 heures, ni même de 48 mais bien de 47 jours pour voir le Soleil se lever à l’Est ! Enfin, s’il se lève car à cette époque il sera devenu une petite étoile naine noire qu’il sera vain de vouloir localiser dans le ciel. Dernier point, si quelqu’un vit encore sur la Lune à cette époque là, il constatera qu’il fallut pas moins de 15 milliards d’années pour que la Terre synchronise sa vitesse de rotation sur celle de la Lune. Les communications avec les bases lunaires seront plus aisées puisque à l’instar de la Belle de nuit, cette fois ce sera la Terre qui présentera toujours la même face aux rares sélénologues. Encore faut-il qu'il y ait quelqu'un sur ces mondes devenus stériles puisque le Soleil aura tout grillé sur son passage... Mais revenons à notre sujet.

Hormis l’inclinaison de son axe, l’ellipticité et l’allongement de son orbite, quantité d'autres variations cycliques, créées par les masses en mouvements, l'attraction de la Lune et des planètes rendent le mouvement de la Terre très complexe. Parmi ces irrégularités nous pouvons citer :

- Une orbite excentrique variant entre 0 et 7 % sur 100000 ans. C'est l'excentricité orbitale.

- Une oscillation du plan de l'orbite terrestre qui pivote sur lui-même en effectuant un tour complet en 21000 ans.

- Une précession de l'inclinaison de l'axe terrestre qui, tel une toupie, oscille autour d'une position fixe en 25800 ans, donnant à tour de rôle la place "d'étoile polaire" à différentes étoiles: α Draconis 2000 ans avant notre ère, la Polaire aujourd'hui, Aldéramin dans 5000 ans, Véga dans 11000 ans, etc.

- Une obliquité de l'écliptique qui s'incline entre 21°59' et 24°36' sur l'équateur céleste en 41000 ans. En 2017, elle était de 23°26'13.490" et décroît de 0.48"/an.

- Le mouvement d'inclinaison de l'écliptique suit lui-même le mouvement d'une toupie dont la principale perturbation est la nutation. L'axe du pôle suit ainsi une sinusoïde irrégulière en forme d'ellipse d'une période de 18.7 ans.

- Une oscillation du globe terrestre associée à la variation saisonnière des masses d'air et d'eau qui déplace la position des pôles. Cette dérive atteint 0.25"/an (où l'équivalent de 8 m à la surface des pôles) suivant une spirale irrégulière. C'est la polhodie.

D'autres anomalies viennent compléter ces irrégularités, telle que la fréquence des marées, le régime des vents, les séismes et l'activité du magma. Tous ces mécanismes rendent la mécanique céleste très pointilleuse mais permettent d'élaborer des modèles très précis des mouvements de la Terre.

A gauche, le couple Terre-Lune photographié par la sonde spatiale Mariner 10 le 3 novembre 1973 à 2.6 millions de km de distance. Cliquer sur l'image pour lancer une animation (GIF de 471 KB). Au centre, les cinq points de Lagrange ou points de libration (L1-L5) associés à l'orbite de la Terre sous l'influence du Soleil. Dans ces cinq zones, un troisième corps peut se maintenir de manière stable sous l'attraction conjuguée de la Terre et du Soleil. Ainsi les satellites SOHO, ACE et WIND ont été placés sur le point L1 tandis que les télescopes orbitaux WMAP, Planck, Herschel et le JWST (2018) sont sur le point L2. Des zones de stabilités gravifiques équivalentes existent autour de la plupart des planètes, en particulier de Jupiter (astéroïdes Troyens). A droite, la géométrie planétaire. Document NASA/Mariner10, anonyme et T.Lombry.

L'escorte de la Terre

Depuis la nuit des temps, la Terre et la Lune ont formé un couple au sens physique du terme ainsi qu'on l'expliquera dans les pages consacrées à la Lune. Mais en vertu des lois chaotiques de la mécanique céleste à long terme, il arrive de temps à autre que de petits astéroïdes nous accompagnent pendant un certain temps avant de disparaître. Certains gravitent près de la Terre pendant des millénaires d'autres pendant quelques années ou quelques siècles seulement. 

Actuellement la Terre est escortée par 3 astéroïdes : 3753 Cruithne, 1999 JM8 et 2016 HO3 dont les orbites sont présentées ci-dessous. Ces découvertes sont très récentes.

3753 Cruithne

En 1986, les astronomes[1] ont découvert un petit objet de 5 km de diamètre qu'il ont baptisé 3753 Cruithne. Cet astéroïde est un géocroiseur de la famille Aten qui a la particularité de traverser l'orbite terrestre (ci-dessus à gauche bleu) ainsi que celui de Vénus formant une orbite en forme de rein qui atteint presque l'orbite de Mars, orbite qu'il boucle en 385 ans. Il n'y a aucun risque de collision avec la Terre car cet astéroïde présente une inclinaison orbitale de 20°. Cruithne présente une magnitude visuelle de +19.1.

Ce géocroiseur nous escorte, semble-t-il, depuis environ 100000 ans et nous suivra encore durant environ 5000 ans à une distance respectable minimale d'environ 15 millions de kilomètres. Deux autres géocroiseurs ont le même comportement et on soupçonne Vénus d'être également escortée d'un tel astéroïde qui, par extension, peuvent presque être considérés temporairement comme des satellites naturels.

A voir  : Asteroid 2016 HO3 - Earth's Constant Companion

A gauche, l'orbite de 3753 Cruithne. Au centre, l'orbite de l'astéroïde 1999 JM8 temporairement capturé par la Terre. A droite, l'orbite de l'astéroïde 2016 HO3 dont une vidéo est présentée sure YouTube. Documents K.Teramura/U.Hawaii adapté par l'auteur, York University et NASA/JPL adapté par l'auteur.

1999 JM8

Plus récemment, en 1999 dans le cadre du programme LINEAR, les astronomes ont découvert l'astéroïde 1999 JM8, un géocroiseur mesurant environ 6.4 km de longueur. Temporairement capturé par la Terre, en 2015 il se situait à plus de 5 UA. de la Terre et 4.4 UA du Soleil.

Comme on le voit sur le graphique présenté ci-dessus au centre, cet astéroïde évolue sur une orbite très instable. Il tourne également sur lui-même très lentement, ce qui laisse à penser qu'il a subit un choc et évolue actuellement de manière chaotique. 

1999 JM8 est actuellement l'astéroïde potentiellement le plus dangereux pour notre planète. Il passa à 0.20 UA à 5 reprises au cours du siècle dernier (jusqu'à 0.033 UA soit à peine 5 millions de km en 1990) et passera à 0.256 UA soit un peu plus de 38 millions de km de la Terre en 2075. Cet astéroïde présente une magnitude visuelle de +23.

2016 HO3

En 2016, les astronomes ont découvert l'astéroïde 2016 HO3 qui suit une orbite similaire à celle de Cruithne. Selon les mesures réalisées grâce au télescope servant au sondage Pan-STARRS 1 dédié aux astéroïdes, ce nouvel astre mesure entre 40 et 100 mètres de longueur et sa magnitude visuelle est de +23. Selon les simulations, il serait satellisé autour de la Terre depuis pratiquement un siècle et continuera ainsi durant plusieurs siècles avant de s'éloigner. Son orbite étant quasiment satellisée et stable autour de la Terre, il ne constitue pas une menace pour notre planète.

Au cours de sa révolution annuelle autour du Soleil, 2016 HO3 passe la moitié de son temps plus près du Soleil que de la Terre puis passe devant notre planète avant de passer la moitié de son temps à plus grande distance. Son orbite est également légèrement inclinée passant ainsi alternativement en-dessous et au-dessus du plan orbital de la Terre.

Comme l'effet d'un élastique, lorsque 2016 HO3 dérive trop loin devant la Terre ou s'éloigne trop loin derrière la Terre, la gravité de notre planète est suffisamment forte pour freiner son éloignement et le retenir, si bien qu'il ne s'éloigne jamais à plus de 38 fois la distance Terre-Lune. Le même effet gravitationnel lui évite de s'approcher à moins d'environ 38 fois la distance Terre-Lune. Il reste donc en permanence dans un espace elliptique proche de la Terre et ne s'est jamais approché à moins de 14 millions de km de notre planète.

Enfin, l'astéroïde 2003 YN107 suivait également la Terre au début des années 2000 à 0.07 UA soit 10 millions de km de distance mais a depuis quitté notre banlieue et gravite aujourd'hui à environ 2 UA de la Terre.

Prochain chapitre

Notions de géodésie et de géologie

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[1] Paul Wiegert, Kim Innanen et Seppo Mikkola, Nature, 12 June 1997.


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