1 / 69

Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

Cours MASTER 1 Astronomie et Astrophysique  Christian Bizouard christian.bizouard@obspm.fr Bureau 403 Bât. A tel.: (01 40 51) 23 35 Observatoire de Paris / SYRTE . Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre. La rotation uniforme .

mateja
Download Presentation

Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  2. Cours MASTER 1 Astronomie et Astrophysique  Christian Bizouardchristian.bizouard@obspm.frBureau 403 Bât. A tel.: (01 40 51) 23 35Observatoire de Paris / SYRTE Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  3. 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 10-5), mesurables depuis 1930. Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

  5. I. 1. Irrégularité astronomique : précession Précession découverte par Hipparque en 200 av. JC. « expliquée » par Newton à la fin du XVIIème siècle w 25800 ans 23° équateur Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  6. I. 1. Irrégularité astronomique : précession w Écliptique 50 ’’/an Équateur g (direction du soleil au printemps) Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  7. I. 1. Irrégularité astronomique : précession + nutation 18.6 ans 40’’ 13.6 jours 1’’ 182 jours 25800 ans Découverte de la nutation par Bradley au XVIIIème siècle 23° Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  8. Terre sphérique Terre ellipsoïdale

  9. 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 w ou UT1 (w 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 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  10. I.1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie L. Euler (1707-1883) C.S. Chandler (1846-1913) S. Newcomb (1846-1913)

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

  12. Mouvement du pôle : Terre rigide / Terre réelle Terre rigide Terre réelle Iz 303 j R’ 432 j R Source : http://hpiers.obspm.fr/eop-pc I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

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

  15. I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : polhodie Solution C04 1960-2008 : x Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

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

  18. Durée du jour : Terre rigide / Terre réelle I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : vitesse de rotation 86400 s TAI Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

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

  21. Précession-Nutation : Terre rigide/ Terre réelle Seconde de degré 1/1/2007 ~50 mas 31/12/2007 g Seconde de degré Projection du pôle de rotation sur le plan équatorial céleste J2000 I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide : précession-nutation Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

  23. A quoi bon connaître les irrégularités de la rotation? 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.

  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 1992 • - deux données par jour • précision du positionnement relatif • GPS usage scientifique : quelques millimètres • GPS usage domestique : 10 mètres • - constellation de 27 satellites à 20000 km de la Terre

  26. I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide Interprétation/modélisation actuelle : *Médiocre **Moyen ***Bon ****Très Bon 1890 0.1″ 1930 1960 0.01″ 1980 0.001″ 2008 0.0001″ Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  27. I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide Erreur de prévision et conséquence sur le positionnement : UT1En 1 s la Terre accomplit un arc de 15″, soit 450 m à l’équateur. Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  28. I. 1. Rotation observée / Rotation terre rigide mouvement du pôle nutation Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  29. I- Vue d’ensemble : 2. Base théorique z W (1+m3) w <1” Wm1 Wm2 y x Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

  31. I. 2. Base théorique : Axes principaux d’inertie moyens z IC y IB IA x Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

  33. I. 2. Base théorique : biaxialité Linéarisation + biaxialité (A=B) Mouvement libre d’Euler à la pulsation (Te = 303 j) Notations complexes / plan équatorial : z y x h L Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

  35. II.1. Elasticité : allongement de la période d’Euler Allongement de la période d’Euler de 130 jours selon Newcomb (1892) ĪR > IR  sc < se Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  36. II.1. Elasticité : allongement de la période d’Euler Variation du potentiel centrifuge Love : à toute variation de degré 2 , W2 ,du potentiel externe correspond une variation DU dugéopotentiel Or Formule de MacCullag Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  37. II.1. Elasticité : équations d’Euler-Liouville Ypure : excitation géophysique sans la déformation centrifuge élastique : Yc(t)=k2/ks m(t) Pulsation d’Euler  pulsation de Chandler Te = 303 j  Tc = 430 j k 2 (1- ) k s = se 0.7 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

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

  40. II. 2. Anélasticité : largeur du pic de Chandler s+ s- Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  41. III. Forçage des couches fluides externes Atmosphère Eaux continentales: lacs, rivières, glaciers, … Océans Terre solide Impact sur la vitesse de rotation de la Terre solide (à la hauteur de 10-8W) et la direction de son axe (oscillations de quelques mètres à la surface)

  42. Effet équatorial > effet axial en raison de l’aplatissement (effet gyroscopique) Moment des marées luni-solaires: 1022kg m2 s-2 Friction Gravitation Pression III. Couplage fluide / terre solide Moment équatorial ~ 1021kg m2 s-2 Moment axial ~ 0,51019kg m2 s-2 Friction sous marine

  43. Approche classique: conservation moment cinétique Terre solide + fluide • Moment cinétique de la Terre H = C W = 6,1 1033kg m2 s-1 • Pression atmosphérique = 1 Bar  Masse de l’atmosphère : 10-6 * masse de la Terre  moment cinétique de l’atmosphère HA =10-6 H • Variation de pression atmosphérique: 10 mBar = 1% de la pression atmosphérique  Variation du moment cinétique atmosphérique DHA ~10-8 H • DHA = DH= C DW : variation relative de la vitesse de rotation de l’ordre de 10-8 (1 ms sur la durée du jour) Pour la direction de l’axe, l’effet (10-6rad) est démultiplié par l’aplatissement

  44. III. Variation annuelle de la pression atmosphérique masse par unité de surface (Sidorenkov, 2002) en g/cm2 100 Pa  100/105 = 10-3 pression en surface Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

  46. Estimation des moments cinétiques des couches fluides  • 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 1970-1980 (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 »

  47. 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 = m1 + im2). CIP et R, pratiquement confondus sauf pour oscillations < 2 jours (20 mas d’écart): Pour « p » Euler-Liouville se simplifie : CIP x -y m1 m2 R Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

  48. 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 Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

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

  50. z vq vl q y l x III. Calcul des excitations • Terme matière / pression : équilibre hydrostatique + approximation couche mince : intégrale de la pression en surface : • Terme mouvement / vent Irrégularités géophysiques de la rotation terrestre

More Related