Relations Terre - Soleil

1. Relations Terre - Soleil ou comment les relations Terre-Soleil sont lunatiques

2. L’homme et sa Terre • L’équilibre qui permet à l’homme de survivre sur la Terre est conditionné par l ’histoire et les conditions que le Soleil lui impose. • Ceci permet à l’être humain et à tout ce qui fait la vie d’exister dans l’environnement terrestre que l’on appelle le climat. • L’évolution de celui-ci est un facteur essentiel de l’histoire de l’humanité, par les conditions de vie, qui déterminent directement les choix des groupes humains : migrations, cultures, conquêtes...

3. Le climat • l’océan • les continents Les composantes du climat sont entre autres : • l’atmosphère • les nuages • les glaciers • les lacs et rivières • la biomasse • la banquise • les influences humaines . . . La variabilité et l’évolution sont sous-jacentes à toutes ces composantes.

4. Le rôle du Soleil Mais c’est le maître d ’œuvre du système. Le Soleil n’apparaît que par l’insolation Nous parlerons ici de ces variations dues : • au Soleil lui-même • aux mouvements de la Terre et ses perturbations dans l’environnement du système solaire et aussi : • des périodicités ainsi engendrées • de la mesure et de l’observation de ses variations • des conséquences sur le climat

5. Ses influences sur la Terre • la gravité • orbite de la Terre • marées • le rayonnement électromagnétique • éclairement, énergie reçue • jour et nuit • saisons • chimie de l’atmosphère • les particules émises • vent solaire, chauffage de l’atmosphère, cosmonucléides (10Be, 14C , 36Cl) • le champ magnétique • lignes de force du champ magnétique du Soleil • état de l’ionosphère Ces influences peuvent évoluer par les changements de l’environnement interplanétaire et interstellaire.

6. Variations de l’orbite terrestre et leurs conséquences L’observation et les paramètres de la mécanique céleste permettent de déterminer les grands cycles de variations • Précession : effet gyroscopique de l’axe de la Terre / au plan de l’écliptique • Rotation du périhélie () • Excentricité de l’orbite de la Terre (e) • Inclinaison de l’axe de rotation de la Terre (i ou )

7. Périodes des révolutions de la Terre Repère : étoiles fixes Année sidérale : durée de la révolution de la Terre / aux étoiles Ts = 365j 6h 9min 9,7s = 365,256363 j Repère : point vernal Année tropique : intervalle de temps entre 2 équinoxes Tt = 365j 5h 48min 45s = 365,242193 j Repère : périhélie de l’orbite Année anomalistique : durée pour retourner au périhélie Ta = 365j 6h 13min 53s = 365,259638 j Tt < Ts le point  rétrograde. Ta > Ts le périhélie avance.

8. Rétrogradation du point vernal : précession Précession : effet gyroscopique de l’axe de la Terre / au plan de l’écliptique Entraîne un changement global des positions des étoiles, mais pas du parcours apparent du Soleil. Calcul de la période ? Temps mis pour aller de  en  ': Ts - Tt= 365,256363 - 365,242193 = 0,013670 j Ce qui correspond à un angle de :

9. il y a 13 000 ans et dans 13 000 ans actuellement Précession et orbite de la Terre La précession n’affecte pas la forme de l’orbite. Mais elle change la position des équinoxes et des solstices sur l ’orbite A la même époque de l’année, la distance Terre-Soleil change La durée des saisons varie. Mais, par rapport aux étoiles, le point vernal aura lui aussi tourné de 150°.

10. Rotation du périhélie Le périhélie ayant avancé, l’année anomalistique est plus grande que l’année sidérale : Temps pour aller de P en P’ ? Tp - Ts = 365,259638-365,256363 = 0,003275 j Période du cycle ? Déplacement annuel du périhélie : angle PSP’ : Effet ? Change la distance Terre Soleil à une même époque de l’année. Cet effet se combine à la précession

11. Précession et rotation du périhélie Les saisons se définissent par rapport au point vernal ( ). Le décalage de l’orbite par rapport à ce point résulte de la précession et de l’avance du périhélie : c’est la précession climatique. Période de déplacement du périhélie par rapport au  ? Déplacement annuel du périhélie par rapport au  : précession périgée résultante 0,013670° + 0,003279° = 0,016949° / an La dissymétrie des saisons a donc une période d’environ 21 000 ans. Une perturbation de 400 000 ans de période se superpose. On observe alors deux périodes de 19000 et 23000 ans

12. Les variations modulées par l ’excentricité variable : Précession et périhélie La combinaison des deux phénomènes précédents donne la précession climatique. Elle est définie par la variation de l'angle entre le périhélie et l'équinoxe de printemps. Analyse spectrale : La période de 21 000 ans est décomposée par la modulation de variations à longs termes. Analyse spectrale

13. Effets de la rotation du périhélie En 2000, le périhélie est proche du solstice d’hiver. Quelle est la différence d ’insolation due aux variations de distance entre les solstices ? L ’équation de l’ellipse donne les distances au périhélie et à l’aphélie L ’énergie reçue étant inversement proportionnelle au carré de la distance Au moment de la saison froide, l’hémisphère nord (solstice d’hiver) reçoit 7% de plus d’énergie que le sud (au solstice d’hiver). L’hiver y est moins rigoureux. Inversement en été, la saison est moins chaude. Ce phénomène est atténué par les grand courants de circulation en altitude qui amène de la chaleur de l’équateur vers les pôles. Tt < Ts le point  rétrograde. Ta > Ts Le périhélie avance.

14. Effets de la rotation du périhélie Qu’amène la rotation du périhélie ? • Le changement cyclique de la dissymétrie d’ensoleillement été hiver • Dans un demi cycle, 10 000 ans environ, les effets seront inversés. • Les contrastes sont les plus faibles lorsque le passage de la Terre au périhélie se fait vers les équinoxes. • Ce fut les cas vers -3250, où le périhélie était à l’équinoxe d’automne. • C’était le temps des premières pyramides. • Les pyramides étaient-elle entourées de jardins verdoyants ? Tt < Ts le point  rétrograde. Ta > Ts Le périhélie avance.

15. Variations de l’obliquité ou inclinaison de l’axe de rotation Obliquité : inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport à la normale au plan de l’écliptique. Rappel : si l’obliquité était nulle, il n’y aurait pas de variation d’ensoleillement sauf celle due à l’excentricité, donc pratiquement pas de saisons alternées entre le nord et le sud. En plus du grand mouvement de précession qui n’affecte pas l’inclinaison, l’axe de rotation subit des variations sous l’effet : • des perturbations gravitationnelles dues à la Lune, au Soleil et aux planètes (dissymétrie du bourrelet équatorial) • des grands mouvements de déplacement des continents • des mouvements de convection à l’intérieur de la Terre L’obliquité varie entre 21,5° et 24,5°. Actuellement elle vaut 23°26’ = 23,43° Période du cycle : 41 000 ans

16. La mécanique céleste et les observations permettent de calculer ses variations passées et aussi futures. Sa période tirée de l’analyse spectrale est d’environ 41 000 ans Variations de l’obliquité(inclinaison de l’axe de rotation de la Terre « sur l ’écliptique ») Elle varie entre 21,5° et 24,5°. Et vaut actuellement 23°26’ = 23,44°

17. Variations de l’obliquité(suite) En moyenne annuelle, les variations de l'insolation sont : • aux hautes latitudes, l'impact est de quelques pour cent. • aux pôles en phase avec l'obliquité • à l'équateur en opposition de phase. Aux latitudes non tropicales, quand l'inclinaison est plus forte, les étés sont plus chauds et les hivers plus froids. Au voisinage du pôle les variations d'inclinaison se traduisent par une fluctuation de 14% de l'énergie interceptée au solstice d'été.

18. L’excentricité varie aussi à long terme, entre les valeurs extrêmes de 0.0 et 0.065. Variations de l’excentricité Actuellement e = 0,0167 et a tendance à décroître. Période : 100 000 ans (et 400 000 ans). Effet direct sur l’ensoleillement global (très faible) et sur la dissymétrie été-hiver.

19. Variations de l’excentricité Analyse spectrale : Effet sur l’ensoleillement (global sur un an) :

20. Variations de l ’énergie reçue avec l ’excentricité Variations de l’excentricité Sur l’année, la différence est faible, quelques 0,1% de l’énergie reçue. Mais entre les saisons, l’effet de différenciation est accentué.

21. Mais il faut y ajouter les variations du rayonnement du Soleil : • différents cycles d’activités, bien représentés par le nombre de taches à sa surface, le plus connu étant celui de 11 ans ... Toutes les influences directes sont regroupées dans la théorie de Milankovitch (1930) Les périodes de glaciation / réchauffement devraient suivre les grandes variations de l’ensoleillement dues aux paramètres de l’orbite de la Terre. • une lente augmentation depuis sa naissance

22. Les cycles provoqués par les variations des éléments orbitaux sont des variations lentes et sinusoïdales En réalité, les effets sont très complexes et sont perturbés par des rétroactions amplificatrices ou modératrices : • composition atmosphérique : effet de serre (CO2, CH4…) • couvertures nuageuses avec variations d’albedo • variation des surfaces couvertes par les glaces : • échanges océans - atmosphère : temporisation par la masse des océans • grands courants marins océaniques • et sub-océaniques : transports de chaleur • échanges biosphère / atmosphère : développement de la matière organique • mouvements tectoniques • avec orogénèse et subduction : oxydation des roches • volcanisme : production de CO2 • . . . Et plus récemment, l ’activité humaine! Les observations tirées des carottes dans les sédiments des mers, des glaces polaires permettent d’obtenir les variations de composition, de températures et ... et l ’on observe des variations en dents de scie.

23. Les glaciations sont lentes et les déglaciations rapides Nous sommes actuellement dans un âge interglaciaire en attendant la prochaine glaciation si les effets anthropiques ne contrebalancent pas les effets naturels.

24. Mais dans l’analyse de l ’abondance de H218O dans les carottes des glaces polaires, qui est un bon reflet de la température, l’analyse spectrale des variations fait apparaître toutes les périodes des phénomènes astronomiques. La corrélation évolution du climat, variation de l ’orbite de la Terre, ou théorie de Milankovitch est donc bien établie.

25. Le trait jaune correspond à l ’augmentation continue du rayonnement solaire depuis 4 milliards d’années. L’observation aux échelles géologiques, montre une évolution non périodique avec des oscillations dont les amplitudes sont beaucoup plus grandes que celles prédites. A remarquer : nous sortons d’une période igloo

26. Les géophysiciens et les paléontologues, en ont conclu que les variations d’ensoleillement sont les effets déclencheurs de phénomènes amplificateurs ou modérateurs, tels la composition de l’atmosphère, la surface de glace aux calottes polaires, etc. Mais il est remarquable qu’au Quaternaire, il est dénombré 17 cycles glaciation-réchauffement, tous en phase avec les variations des éléments de l’orbite terrestre.

27. FIN