Mise à jour le 23 Avril 2007
 
     
CONFÉRENCE de JACQUES LASKAR
de l'IMCCE (Institut de Mécanique Céleste et de Calculs des Éphémérides)
Membre de l'Académie des Sciences.
"ÉVOLUTION À LONG TERME DE L'AXE DE ROTATION
DES PLANÈTES TERRESTRES"
Organisée par le Bureau des Longitudes
À l'Institut de France quai Conti, Paris
 
Le Mercredi 4 Avril 2007 à 14H00

 
Photos : JPM pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos 
 
 
 
BREF COMPTE RENDU
Nous étions nombreux salle Hugot pour écouter J Laskar.
 
 
 
Jacques Laskar est un de nos plus grands spécialistes du mouvement des planètes et de leur évolution dans le temps, et de leur mouvement chaotique dû à l'évolution de leur obliquité.
 
Il s'intéresse ce soir aux planètes telluriques de notre système solaire.
 
N'oublions pas ses collaborateurs : A Correia; B Levrard et P Robutel.
 
Les planètes terrestres du système solaire ont des similarités et des différences.
 
On peut dire que Mercure et Vénus ont des axes de rotation verticaux alors que la Terre et Mars ont une obliquité similaire et une période de rotation quasi identique.
 
 
 
 
 
Notre Terre inclinée sur son axe de approx 23°, possède un angle de précession qui parcourt la voûte céleste en 26.000 ans.
 
Si on avait seulement la Terre, la Lune et le Soleil, tout ceci serait constant; mais il y a une influence des autres planètes du système solaire.
Cet effet déforme l'orbite de notre planète en particulier mais de façon très lente.
 
On peut voir sur le graphique ci joint l'influence sur l'excentricité (un cycle de 405.000 ans semblant apparaître), et sur l'inclinaison de l'orbite.
 
 
 
Les graphes précédents sont pour 65° de latitude Nord.
 
Ce mouvement du plan orbital de la Terre induit un mouvement de l'axe de rotation de la Terre qui se manifeste par des petites oscillations de cet axe (+/- 1,3°) et joue donc ainsi sur l'insolation dans les hautes latitudes.
Cela peut correspondre à une variation de 20% et ils sont à l'origine des grands changements climatiques du Quaternaire : augmentation de la calotte polaire à refroidissement général de la planète à age glaciaire (voir les cycles de Milankovitch).
 
Ces traces de ces variations climatiques se trouvent dans les sédiments marins, dont le plus important traceur est le rapport O18/O16 mesurés dans les foraminifères des fonds marins.
 
Voici l'explication , je me base aussi sur l'article de Jacques Beauchamp qui est très explicite sur le principe des carottes océaniques.
 
 
 
"Les Foraminifères fabriquent le calcaire de leur coquille (appelée tests) à partir des éléments contenus dans l’eau de mer, et en particulier de l’Oxygène de l’eau. La composition de la coquille reflète donc celle de l’eau au moment de la formation.
La composition isotopique de l’oxygène de l’eau de mer dépend du stock de glace immobilisée dans les calottes polaires.
L’eau contenant l’isotope 16 léger s’évapore plus vite et l’eau atmosphérique, puis l’eau des précipitations et finalement  la glace sont appauvries en isotope lourd 18O.
En période froide, l’eau de l’océan est plus riche en 18 O.
En période chaude, la glace fond et restitue à l’océan l’16O: l’eau de mer s’appauvrit relativement en18 O.
Cette variation de la teneur en 18 O se retrouve dans les tests de Foraminifères. "
 
 
 
Les carottages correspondant à ces mesures donnent une échelle fiable des temps géologiques au moins jusqu'au début du Néogène (-23 millions d'années) après l'échelle radiogénique est plus fiable. C'est la Paléoclimatologie.
 
 
Comment varie la petite oscillation de l'obliquité de la Terre?
 
Si on change l'obliquité, on change la vitesse de précession dans le même sens (une augmentation de l'obliquité induit une augmentation de la vitesse de précession).
Arrivé à 60°, sa période est comparable à la force d'influences des autres planètes, un phénomène de résonance chaotique se produit.
 
Il se produit un autre effet : effet de friction de marées solides qui entraîne un bourrelet de déformation et donc un couple de rappel qui éloigne la Lune et ralentit la vitesse de précession de la Terre.
 
 
 
Cet effet apparaît sur la vue suivante, en vertical à gauche, la variation de la précession de la Terre (en seconde d'arc par an) correspondant à l'échelle verticale de droite à l'évolution dans le futur sur 5 milliards d'années; en horizontal la variation induite sur l'obliquité.
 
La zone rouge correspond à la zone chaotique, en gros à partir de 1,5 milliards d'années.
 
Les zones bleues sont stables.
 
Les courbes noires correspondent à des minimum et maximum atteintes par l'obliquité dans certains cas de figure. Dès qu'on entre dans ces zones chaotiques l'obliquité subit des variations très fortes jusqu'à 80° (comme Uranus).
 
 
 
Il est à remarquer le rôle essentiel joué par la Lune dans la stabilité de l'obliquité de notre planète.
 
La Lune stabilise les oscillations de l'obliquité de notre planète agissant ainsi comme régulateur climatique. En effet la précession est un facteur important jouant sur l'insolation, la Lune a empêché le passage par des résonances chaotiques qui auraient certainement rendu la vie sur Terre profondément différente.
Merci la Lune!
 
 
 
Nature du changement.
 
 
Ce changement d'obliquité du passé peut s'expliquer de plusieurs manières :
 
Il semble qu'il y ait des indications que la Terre ait subi il y a 600 à 800 millions d'années une ou plusieurs période de glaciation globale couvrant complètement la planète, type "snowball" (boule de neige).
Quel phénomène l'a déclenché? On ne le sait pas encore vraiment.
 
Une autre explication possible serait la forte obliquité de la Terre (54° il y a 600 millions d'années), mais quel mécanisme peut ramener cet axe de 54 à 23° en 600 Ma? Ce ne peut être qu'un phénomène dissipatif, du genre friction noyau-manteau, ils précessent à des vitesses différentes créant ainsi un couple de friction à leur frontière; l'axe devrait se redresser.
Cela doit par conséquence jouer sur la vitesse de rotation de la terre, qui devrait être de l'ordre de 13 heures il y a 600Ma, mais en fait les mesures donnent 20 heures.
Donc ce modèle ne semble pas valide.
 
Peut il y avoir un autre mécanisme dissipatif?
Oui par exemple des phénomènes de glaciation-déglaciation alternatifs; cela change la répartition des masses et joue donc sur le moment d'inertie de la planète, et par conséquence sur son obliquité.
Mais on n'arrive pas quand même à bouger autant l'axe de la Terre dans ce cas de figure.
 
Donc pour le moment aucun mécanisme actuel ne peut conforter le scénario de forte obliquité.
 
La théorie de la snowball earth est donc toujours actuelle.
 
 
 
 
ET LES AUTRES PLANÈTES?
 
 
MARS
 
 
 
Mars ne possède pas de satellites significatifs, il n'y a donc pas eu de rôle stabilisateur de l'axe de rotation.
 
L'obliquité de Mars est chaotique, elle a varié entre 0 et 60° cela a entraîné des variations climatiques importantes.
 
Sur ce graphe on voit deux courbes correspondant à deux hypothèses différentes, les variations d'obliquité dans le passé sur les 100 millions dernières années, sont énormes.
 
A forte obliquité, la calotte du Pôle Nord devient instable et se sublime lentement. La glace se dépose dans les régions équatoriales puis revient dans les hautes latitudes et aux pôles à plus basse obliquité dans un mouvement cyclique.
 
 
 
Étude paléoclimatique de Mars.
 
 
Calotte du Pôle Nord de Mars (glace d'eau) vue par MGS.
 
Dans les crevasses on peut distinguer des stratifications qui donnent une indication des teneurs de poussières géologiques, donc des changements climatiques et par conséquence des variations d'ensoleillement.
 
C'est ce qu'a étudié J Laskar et ses collègues.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ils ont montré une instabilité de la calotte polaire aux grandes obliquités de la planète.
L'obliquité la plus probable dans le passé était : 40°.
 
La glace polaire se sublime et peut se déposer dans les zones équatoriales.
 
On a alors des calottes équatoriales   Il y a eu redistribution des glaces.
 
Puis le cycle recommence.
 
C'est ce qu'explique B Levrard dans un article publié en commun notamment avec J Laskar et que je résume ainsi :
 
 
Quand l'obliquité est importante, les pôles se présentent face au Soleil, ce qui fait fondre la glace. Elle devient alors instable et perd chaque année quelques centimètres d'épaisseur, qui sont transportés sous forme gazeuse vers la zone équatoriale de Mars.

Quand l'obliquité martienne repasse à sa valeur actuelle ou à une valeur un peu plus basse, la glace équatoriale, devenue instable, est transportée dans les zones polaires et les hautes latitudes des deux hémisphères.
La glace détectée par les sondes spatiales a été préservée grâce à la poussière qu'elle contient. Quand la glace disparaît, la poussière demeure et protège la couche glacée stockée en dessous.
"La glace observée serait dans ces conditions la trace d'un ancien âge glaciaire martien, probablement inférieur à 5 millions d'années, qui a conduit à la naissance de calottes enfouies, protégées par de la poussière et mises en évidence dans les photos".
(schéma : IMCCE)
 
 
 
 
 
 
 
On trouve des traces de ces paléoglaciers dans la région de Tharsis sur Mars.
 
 
 
Les données des sondes spatiales ont montré que ces dépôts (en jaune) dans la région tropicale des volcans, provenaient bien d'anciens dépôts glaciaires.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Évolution dans le temps du climat martien.
 
Comme l'obliquité est tellement chaotique, il n'est pas possible de donner une évolution sur plus de quelques millions d'années.
 
On remarquera que l'obliquité actuelle (24°) est très éloignée de sa valeur moyenne (40°).
Cela veut probablement dire que le climat actuel n'est peut être pas représentatif du climat passé.
 
 
 
 
VENUS.
 
Le problème avec vénus a été de déterminer sa vraie période de rotation, en effet on sait maintenant qu'elle est recouverte d'une épaisse couche de nuages et cela a gêné sa détermination.
Cassini trouva 24h, Schiaparelli en 1890 trouve 224 jours(c'est à dire sa période de rotation, il pense qu'elle est synchrone); puis Flammarion retrouve 24h etc…
Les premières vraies mesures viennent de la Radioastronomie, Arecibo en 1965 prouve que Vénus a un mouvement rétrograde lent et tourne sur elle même en 243 jours.
 
Quelles sont les forces qui agissent sur cette planète et qui peuvent jouer sur sa période et inclinaison?
·        Effet de marées : a tendance à "synchroniser" la planète.
·        Friction noyau-manteau : a tendance à donner une obliquité de 0 ou 180°.
·        Marée atmosphérique dû à l'épaisse atmosphère : le Soleil chauffe l'atmosphère, P augmente, la masse se répartit différemment, il se crée un bourrelet et donc un couple accélérateur.
 
 
Tous ces effets combinés conduisent à 4 états stables : 2 de chaque côté : deux correspondant à un état prograde (F0+,Fπ+) et deux à un état rétrograde (F0-,Fπ-).
 
 
Ceci a été publié dans un article de Nature en 2001.
 
La rotation actuelle de Vénus semble provenir d'effets naturels et non pas de collisions comme certains l'ont imaginé.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ET MERCURE?
 
 
Le mouvement de Mercure est très intéressant, il est en résonance spin/orbite 3/2.
 
En 2 orbites (2 ans mercuriens par définition), Mercure a effectué 3 rotations et UN JOUR MERCURIEN COMPLET
 
Un jour sur Mercure dure donc : 2 ANS MERCURIENS
 
Soit approx 176 jours terrestres
 
 
On se rend compte des différents mouvements sur le graphique ci contre.
 
 
 
 
 
 
 
J Laskar a montré que l'orbite de Mercure était chaotique sur une longue période et que la résonance 3/2 était l'état le plus probable.
 
 
 
 
CONCLUSIONS.
 
 
·        Il y a une grande variété de spin pour les planètes telluriques
·        Certaines planètes ont évolué par effet de marées comme Mercure (résonance spin orbite) et Vénus (marée atmosphérique)
·        Mars a une obliquité chaotique
·        La Terre a une obliquité stable grâce à la Lune
 
 
 
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN
 
Généralités et système Terre-Lune :
 
Le chaos dans le système solaire par J Laskar, document pdf de 13 pages très bien fait. (anglais)
 
Cycle de Milankovitch et Chaotic obliquity variation  pdf très complet, la base pour comprendre  de 28 pages (anglais).
 
Aussi sur le cycle Milankovitch par planète Terre.
 
On the long term evolution of the spin of the Earth  O. Neron de Surgy and J. Laskar  pdf de 15 pages (anglais)
 
Le rôle de la Lune d'après Science et Avenir 1993.
 
La Terre, la Lune et le chaos de notre ami Michel Combes, le rôle de la Lune.
 
A long term numerical solution for the insolation quantities of the Earth.  (26 pages pdf)  (anglais) Plutôt théorique
Par J. Laskar, P. Robutel, F. Joutel, M. Gastineau, A.C.M. Correia, & B. Levrard 
 
À lire cet ancien numéro de Pour la Science, n° 186 , pp 34 - 41, Avril 1993 par LASKAR J. : La Lune et l'origine de l'Homme..
La présence de la Lune limite les variations de l'inclinaison de l'axe de la rotation de la Terre. Sans notre satellite, cette inclinaison aurait subi des variations chaotiques qui auraient induit des variations climatiques peu compatibles avec l'évolution, en particulier durant les 3 derniers millions d'années.
 
 
 
Sur la théorie snowball earth
 
Communiqué de presse du Caltech (anglais).
 
Par Wikipedia. (anglais)
 
Article d'Astrobiology Magazine sur le sujet. (anglais)
 
Quand tous les océans étaient gelés article pdf de 14 pages en anglais et en français de J Kirschvink, tiré de La Recherche de 2002.
 
Contestation de cette théorie par l'Imperial College. (anglais)
 
 
 
Sur Mars
 
Long term evolution and chaotic diffusion of the insolation quantities of Mars. 24 pages pdf (anglais)
Par J. Laskar, A. C. M. Correia, M. Gastineau, F. Joutel, B. Levrard, & P. Robutel
 
Les dépôts stratifiés de Mars décryptés chronique de Nirgal.net.
 
Des cycles glaciaires intenses sur Mars  communiqué du CNRS.
 
Les paléoclimats martiens de François Forget   38 pages pdf génial
 
Forçage  astronomique des paléoclimats de la Terre et de Mars par B Levrard présentation PPT de 3,4MB très détaillé.
 
Recent ice-rich deposits formed at high latitudes on Mars by sublimation of unstable equatorial ice during low obliquity
Par Benjamin Levrard, François Forget, Franck Montessin & Jacques Laskar   PPT de 1MB.
 
Les glaciers de Mars dans cet ancien Astronews.
 
Mountain glaciers on Mars? Characterization of western Tharsis Montes fan shaped deposits using MGS data. 4 pages pdf (anglais)
Par J. W. Head, Brown University, Providence USA & D. R. Marchant, Department of Earth Sciences, Boston University, USA.
 
Tropical mountain glaciers on Mars: evidence for Amazonian climate change: 2 pages pdf (anglais)
Par J W. Head, D E. Shean, S Milkovich & D Marchant, Brown Univ., Providence, & Earth Sciences, Boston Univ., USA,
 
Recent Activity on Mars: Fire and Ice  du PSRD de Hawai. (anglais)
 
 
 
Sur Vénus :
 
La rotation rétrograde de Vénus par J Laskar dont les 4 états finals de Vénus.
 
 
Sur Mercure:
 
La capture de Mercure en résonance spin-orbite 3:2 par J Laskar de l'IMCCE
 
 
 
 
 
 
Bon ciel à tous
 
 
Jean Pierre Martin 
www.planetastronomy.com