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La nutation de la Terre

 

La nutation en direct

La nutation est un changement périodique de la direction de l'axe de figure de la Terre par rapport à la voûte céleste. Elle est la réponse de notre planète aux forces de marée, c'est à dire l'attraction gravitationnelle de la lune, du soleil et des autres corps du système solaire. Cette réponse dépend de la forme et de la composition de la Terre. Etudier la nutation permet ainsi de calculer ou de contraindre les valeurs de quantités géophysiques comme l'aplatissement du noyau et certains paramètres qui décrivent la façon dont le noyau, la graine et le manteau sont couplés les uns aux autres. Lors de nos analyses routinières, nous déterminons la nutation à peu près deux fois par semaine. La figure 1 ci-dessous montre les différences entre l'orientation observée de l'axe de figure de la Terre et le modèle de précession-nutation IAU 2006 qui constitue la référence. Ce dernier modèle est très précis mais ne comprend pas certains phénomènes imprédictibles comme la signature de la rotation libre du noyau qui apparaît très bien sur le graphique comme une oscillation en 1 an et 2 mois. L'unité du graphique est la milliseconde de degré (mas), équivalente à 3 cm à la surface du globe.

Fig. 1 Ecarts observés au modèle de nutation IAU 2006.

 

Les mouvements du noyau liquide

La figure ci-après montre une coupe de la Terre simplifiée. En analysant la transmission et/ou la réflexion des ondes sismiques, la tomographie sismique a montré que le noyau externe est liquide et que le noyau interne, aussi appelé graine, est solide. On peut donc voir la Terre comme une boule élastique contenant, vers 2900 km de profondeur, une immense cavité remplie de liquide (le noyau) et au milieu de laquelle se trouve la graine.

 

(1) Graine, env. 2400 km de diamètre
(2) Noyau externe liquide
(3) Manteau inférieur, env. jusqu'à 2900 km de profondeur
(4) Manteau supérieur, env. jusqu'à 700 km de profondeur
(5) Lithosphère (70-150 km d'épaisseur)
(6) Croûte continentale ou océanique sur 30-60 km

Les mouvements du liquide dans le noyau sont complexes (et responsables du champ magnétique terrestre bien connu), mais en première approximation, on peut les voir comme une rotation simple autour d'un axe qui est presque, mais pas complètement, aligné avec l'axe de figure du manteau. Dans une telle configuration, le noyau liquide de la Terre possède un mode de rotation propre, ou résonance, de période environ 430 jours et désigné par FCN pour free core nutation (littéralement nutation libre du noyau). Ce mouvement libre entraine une oscillation du manteau de même période et directement observable par VLBI. Cette observation constitue une preuve non sismique de l'existence du noyau. La figure 2 montre cette oscillation au cours du temps extraite du signal précédent. Il apparaît que la FCN est un signal périodique amorti. Sa période est théoriquement déterminée par une combinaison de quantités géophysiques dont l'aplatissement du noyau. Le facteur d'amortissement, qui traduit des couplages dissipatifs aux interfaces entre le liquide du noyau et les couches basses du manteau, est un sujet d'étude actuel. Sa détermination observationnelle par VLBI ou par gravimétrie reste très sensible à la qualité des observations et à la stratégie d'analyse. Son interprétation en termes de physique de l'intérieur terrestre est liée à la friction visqueuse et topographique et aux forces électromagnétiques entre noyau et manteau.

Fig. 2 L'oscillation de l'axe de figure de la Terre causée par la présence du noyau liquide.

 

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