Une équipe d’astrophysiciens a montré qu’il y a environ deux milliards d’années jusqu’à il y a 600 millions d’années, une marée atmosphérique entraînée par le soleil a contrecarré l’effet de la lune, maintenant le taux de rotation de la Terre stable et la durée du jour constante de 19,5 heures. Crédit : Kevin M. Gill
Les résultats fournissent de nouvelles informations sur la manière dont le changement climatique influencera la durée des jours et la fiabilité des instruments de modélisation climatique.
Des astrophysiciens de l’Université de Toronto (U de T) ont fait la lumière sur le mystère de la raison pour laquelle le jour sur Terre, qui augmentait progressivement en raison de l’influence des marées de la Lune, a interrompu son allongement pendant plus d’un milliard d’années.
Leurs recherches indiquent qu’il y a environ deux milliards d’années à 600 millions d’années, les marées atmosphériques provoquées par le soleil ont contrecarré l’impact de la lune, maintenant la vitesse de rotation de la Terre et stabilisant la durée du jour à 19,5 heures.
Sans cette pause d’un milliard d’années dans le ralentissement de la rotation de notre planète, notre journée actuelle de 24 heures s’étendrait sur plus de 60 heures.
L’étude décrivant le résultat a été récemment publiée dans la revue Avancées scientifiques. S’appuyant sur des preuves géologiques et en utilisant des outils de recherche atmosphérique, les scientifiques montrent que l’impasse des marées entre le Soleil et la Lune résulte du lien accidentel mais extrêmement conséquent entre la température de l’atmosphère et le taux de rotation de la Terre.
Les auteurs de l’article comprennent Norman Murray, astrophysicien théoricien à l’Institut canadien d’astrophysique théorique (CITA) de l’Université de Toronto ; Hanbo Wu, étudiant diplômé, CITA et Département de physique, U de Toronto; Kristen Menou, David A. Dunlap Département d’astronomie et d’astrophysique et Département des sciences physiques et environnementales, Université de Toronto Scarborough ; Jeremy Laconte, Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux et ancien postdoctorant CITA ; et Christopher Lee, Département de physique, U de T.
Un spectre de puissance de l’atmosphère terrestre. L’axe des x représente la longueur d’onde, par exemple 5 est une longueur d’onde d’un cinquième de la circonférence de la Terre pour une onde se déplaçant d’ouest en est, et -5 signifie la même chose, mais pour les ondes se déplaçant d’est en ouest. L’axe des y représente la fréquence, en cycles par jour, par exemple 2 signifie deux cycles par jour, soit 12 heures. Les fines lignes brunes horizontales montrent le forçage solaire à un, deux, trois, etc. cycles par jour (24 heures, 12 heures, période de 8 heures, et ainsi de suite). Crédit : Sakazaki et Hamilton
Lorsque la Lune s’est formée pour la première fois il y a environ 4,5 milliards d’années, la journée durait moins de 10 heures. Mais depuis lors, l’attraction gravitationnelle de la Lune sur la Terre ralentit la rotation de notre planète, ce qui entraîne une journée de plus en plus longue. Aujourd’hui, son allongement continue au rythme d’environ 1,7 milliseconde chaque siècle.
La Lune ralentit la rotation de la planète en tirant sur les océans de la Terre, créant des renflements de marée sur les côtés opposés de la planète que nous vivons sous forme de marées hautes et basses. L’attraction gravitationnelle de la Lune sur ces renflements, ainsi que la friction entre les marées et le fond de l’océan, agissent comme un frein sur notre planète en rotation.
« La lumière du soleil produit également une marée atmosphérique avec le même type de renflements », explique Murray. « La gravité du soleil tire sur ces renflements atmosphériques, produisant un couple sur la Terre. Mais au lieu de ralentir la rotation de la Terre comme la Lune, il l’accélère. »
Pendant la majeure partie de l’histoire géologique de la Terre, les marées lunaires ont dominé les marées solaires d’un facteur dix environ ; d’où le ralentissement de la vitesse de rotation de la Terre et l’allongement des jours.
Mais il y a environ deux milliards d’années, les renflements atmosphériques étaient plus grands parce que l’atmosphère était plus chaude et parce que sa résonance naturelle – la fréquence à laquelle les vagues la traversent – correspondait à la durée du jour.
L’atmosphère, comme une cloche, résonne à une fréquence déterminée par divers facteurs, dont la température. En d’autres termes, les vagues – comme celles générées par l’énorme éruption du volcan Krakatoa en Indonésie en 1883 – le traversent à une vitesse déterminée par sa température. Le même principe explique pourquoi une cloche produit toujours la même note si sa température est constante.
Murray et ses collaborateurs se sont appuyés sur des preuves géologiques dans leur étude, comme ces échantillons provenant d’un estuaire à marée qui révèlent le cycle des marées de vive-eau et de morte-eau. Crédit : GE Williams
Durant la majeure partie de l’histoire de la Terre, la résonance atmosphérique n’a pas été synchronisée avec le taux de rotation de la planète. Aujourd’hui, chacune des deux « marées hautes » atmosphériques met 22,8 heures pour faire le tour du monde ; parce que cette résonance et la période de rotation de 24 heures de la Terre ne sont pas synchronisées, la marée atmosphérique est relativement faible.
Mais au cours de la période d’un milliard d’années étudiée, l’atmosphère était plus chaude et résonnait pendant une période d’environ 10 heures. Aussi, à l’avènement de cette époque, la rotation de la Terre, ralentie par la Lune, atteignait 20 heures.
Lorsque la résonance atmosphérique et la durée du jour sont devenues égales – dix et 20 – la marée atmosphérique s’est renforcée, les renflements sont devenus plus grands et l’attraction de marée du soleil est devenue suffisamment forte pour contrer la marée lunaire.
« C’est comme pousser un enfant sur une balançoire », explique Murray. « Si votre poussée et la période du swing ne sont pas synchronisées, cela n’ira pas très haut. Mais s’ils sont synchronisés et que vous poussez juste au moment où la balançoire s’arrête à une extrémité de sa course, la poussée ajoutera à l’élan de la balançoire et elle ira plus loin et plus haut. C’est ce qui s’est passé avec la résonance atmosphérique et la marée.
Parallèlement aux preuves géologiques, Murray et ses collègues ont obtenu leurs résultats en utilisant des modèles de circulation atmosphérique globale (MCG) pour prédire la température de l’atmosphère au cours de cette période. Les GCM sont les mêmes modèles utilisés par les climatologues pour étudier le réchauffement climatique. Selon Murray, le fait qu’ils aient si bien travaillé dans le cadre des recherches de l’équipe est une leçon qui arrive à point nommé.
« J’ai parlé à des personnes sceptiques face au changement climatique et qui ne croient pas aux modèles de circulation mondiale qui nous disent que nous sommes dans une crise climatique », explique Murray. « Et je leur dis : nous avons utilisé ces modèles de circulation mondiale dans nos recherches, et ils ont bien fait les choses. Ils travaillent. »
Malgré son éloignement dans l’histoire géologique, ce résultat ajoute une perspective supplémentaire à la crise climatique. Étant donné que la résonance atmosphérique change avec la température, Murray souligne que le réchauffement actuel de notre atmosphère pourrait avoir des conséquences sur ce déséquilibre des marées.
« À mesure que la température de la Terre augmente avec le réchauffement climatique, nous augmentons également la fréquence de résonance – nous éloignons notre atmosphère de la résonance. En conséquence, il y a moins de couple du soleil et, par conséquent, la durée de la journée va s’allonger, plus tôt qu’elle ne le serait autrement.
