Le changement climatique modifie la rotation de la Terre et la durée du jour. Des chercheurs de l’ETH Zürich ont démontré que la fonte des glaces, provoquée par le réchauffement climatique, affecte significativement l’axe de rotation de la planète et sa vitesse de rotation, supplantant même l’influence séculaire de la lune.
Soutenus par l’agence spatiale américaine NASA, les chercheurs ont publié leurs travaux dans deux articles de recherche, l’un paru le 12 juillet dernier dans Nature Géoscience et le second le 15, dans la revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
Impact du changement climatique sur la rotation de la Terre
Lorsque les masses de glace au Groenland et en Antarctique fondent sous l’effet du changement climatique, l’eau des régions polaires s’écoule vers les océans, principalement autour de l’équateur. Cette redistribution de masse ralentit la rotation de la Terre, allongeant ainsi la durée du jour de quelques millisecondes, ce que les chercheurs démontrent dans l’étude PNAS.
Benedikt Soja, professeur de géodésie spatiale au Département de génie civil, environnemental et géomatique de l’ETH Zurich, explique :
“C’est comme lorsqu’une patineuse artistique fait une pirouette, en tenant d’abord ses bras près de son corps, puis en les étirant.. La rotation initialement rapide devient plus lente car les masses s’éloignent de l’axe de rotation, augmentant l’inertie physique. En physique, on parle de la loi de conservation du moment angulaire, et cette même loi régit également la rotation de la Terre. Si la Terre tourne plus lentement, les jours s’allongent. Le changement climatique modifie donc également la durée du jour sur Terre, bien que de manière minime”.
Une autre cause de ce ralentissement est le frottement des marées, déclenché par la lune. Cette étude arrive à une conclusion surprenante : si les humains continuent d’émettre plus de gaz à effet de serre et que la Terre se réchauffe en conséquence, cela aura finalement une plus grande influence sur la vitesse de rotation de la Terre que l’effet de la lune, qui a déterminé l’augmentation de la durée du jour pendant des milliards d’années.
Benedikt Soja souligne :
“Nous, les humains, avons un impact plus important sur notre planète que nous ne le pensons et cela nous impose naturellement une grande responsabilité pour l’avenir de notre planète”.
Déplacement de l’axe de rotation
Les changements de masse à la surface et à l’intérieur de la Terre causés par la fonte des glaces ne modifient pas seulement la vitesse de rotation de la Terre, mais, comme le montrent les chercheurs dans Nature Geoscience, ils déplacent également son axe de rotation. Ce mouvement polaire, observé sur plusieurs décennies, déplace les points où l’axe de rotation rencontre la surface de la Terre de plusieurs mètres sur un siècle. Les processus internes de la Terre, tels que les déplacements dans le manteau visqueux et les flux de chaleur dans le noyau externe, contribuent également à ce phénomène :
- Le noyau externe de la Terre est constitué de métal liquide. À l’intérieur de ce noyau, des flux de chaleur et des mouvements de convection se produisent. Ces mouvements influencent la distribution de masse interne et génèrent des changements dans le champ magnétique terrestre. Ces variations de masse et de dynamique interne affectent la position de l’axe de rotation ;
- Le manteau terrestre est une couche de roche visqueuse située entre le noyau et la croûte. Sous l’effet de la chaleur et des forces tectoniques, la roche dans le manteau se déplace lentement. Ces déplacements, causés par la convection thermique et les forces tectoniques, modifient la distribution de masse à long terme, ce qui contribue également au mouvement de l’axe de rotation.
Mostafa Kiani Shahvandi, l’un des doctorants du professeur Soja et auteur principal de l’étude, explique :
“Pour la première fois, nous présentons une explication complète des causes du mouvement polaire à longue période. En d’autres termes, nous savons maintenant pourquoi et comment l’axe de rotation de la Terre se déplace par rapport à la croûte terrestre”.
Les chercheurs ont également démontré l’interconnexion et l’influence mutuelle des processus à la surface et à l’intérieur de la Terre.
Benedikt Soja déclare :
“Le changement climatique provoque le déplacement de l’axe de rotation de la Terre, et il semble que la rétroaction de la conservation du moment angulaire modifie également la dynamique du noyau de la Terre”.
Kiani Shahvandi ajoute :
“Le changement climatique en cours pourrait donc même affecter les processus profonds de la Terre et avoir une plus grande portée qu’on ne le pensait auparavant”.
Modélisation et intelligence artificielle
Les chercheurs de l’ETH Zurich ont développé une approche innovante pour modéliser le mouvement polaire de la Terre en utilisant un algorithme d’apprentissage automatique basé sur des réseaux neuronaux informés par la physique (PINNs). Cette méthode permet de traiter conjointement toutes les contributions connues au mouvement polaire.
Les PINNs sont des réseaux de neurones qui intègrent des lois physiques et des modèles géophysiques pour améliorer la précision des prédictions. Contrairement aux algorithmes d’apprentissage automatique classiques, les PINNs sont contraints de satisfaire aux modèles physiques sous-jacents, même lorsqu’ils utilisent des modèles imparfaits de ces processus. Cette intégration permet de mieux capturer les interactions complexes entre différents processus géophysiques.
Les PINNs se sont avérés particulièrement efficaces pour découvrir les connexions entre les processus géophysiques et récupérer la physique sous-jacente. Ils ont pu identifier et modéliser avec précision les interactions entre les différents effets sur la surface de la Terre, dans son manteau et dans son noyau.
Grâce à cette approche intégrée, les chercheurs ont pu modélise comment les pôles de rotation de la Terre se sont déplacés depuis 1900. Les résultats de ces modèles sont en excellent accord avec les données réelles, fournies par les observations astronomiques du passé et par les satellites au cours des trente dernières années, validant l’efficacité de l’approche PINN pour faire des prévisions sur les futurs déplacements.
Kiani Shahvandi a reçu le soutien de Siddhartha Mishra, professeur de mathématiques à l’ETH Zurich, qui a reçu en 2023 le prix Rössler de l’ETH Zurich, le prix de recherche le plus doté de l’université, et qui est un spécialiste dans ce domaine.
Implications pour la recherche et la navigation spatiale
Cette modélisation précise du mouvement polaire est cruciale pour la recherche géophysique et la navigation spatiale. En comprenant mieux les interactions entre les différents processus géophysiques, les scientifiques peuvent améliorer les modèles climatiques et prévoir les effets à long terme du changement climatique sur la dynamique terrestre. De plus, en navigation spatiale, les variations de la rotation terrestre doivent être prises en compte pour des missions précises, comme l’explique le professeur Soja :
“Même si la rotation de la Terre ne change que lentement, cet effet doit être pris en compte lors de la navigation dans l’espace, par exemple lors de l’envoi d’une sonde spatiale sur une autre planète. Même une légère déviation d’un centimètre sur Terre peut atteindre une déviation de plusieurs centaines de mètres sur les énormes distances impliquées. Sinon, il ne sera pas possible d’atterrir dans un cratère spécifique sur Mars”.
Références de l’article : Blog ETH Zurich, Barbara Vonarburg
Kiani Shahvandi M, Adhikari S, Dumberry M, Modiri S, Heinkelmann R, Schuh H, Mishra S, Soja B : Contributions du noyau, du manteau et des processus climatologiques au mouvement polaire de la Terre. Dans : Nature Geoscience, Vol. 17, juillet 2024, p. 705-710. https://doi.org/10.1038/s41561-024-01478-2call_made .
Kiani Shahvandi M, Adhikari S, Dumberry M, Mishra S, Soja B : Le rôle de plus en plus dominant du changement climatique sur les variations de la durée du jour. Dans : Proceedings de l’Académie nationale des sciences, PNAS 2024, vol. 121, n° 30, e2406930121. https://doi.org/10.1073/pnas.2406930121call_made.
