Comment le changement climatique modifie la rotation de la Terre

Pour la première fois, des chercheurs de l’ETH Zurich ont pu expliquer de manière exhaustive les différentes causes du mouvement des pôles à long terme grâce à la modélisation la plus complète à ce jour, en utilisant des méthodes d’IA. Leur modèle et leurs observations montrent que le changement climatique et le réchauffement climatique auront une plus grande influence sur la vitesse de rotation de la Terre que l’effet de la Lune, qui détermine l’allongement de la durée du jour depuis des milliards d’années.

Le changement climatique provoque la fonte des glaces du Groenland et de l’Antarctique. L’eau des régions polaires s’écoule dans les océans du monde entier, en particulier dans la région équatoriale.

« Cela signifie qu’un déplacement de masse se produit, ce qui affecte la rotation de la Terre », explique Benedikt Soja, professeur de géodésie spatiale au Département de génie civil, environnemental et géomatique de l’ETH Zurich.

« C’est comme lorsqu’une patineuse artistique fait une pirouette, en tenant d’abord ses bras près de son corps puis en les étirant », explique Soja. La rotation initialement rapide devient plus lente car les masses s’éloignent de l’axe de rotation, ce qui augmente 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, même si ce n’est que de façon minime.

Les chercheurs de l’ETH Zurich du groupe de Soja ont publié deux nouvelles études dans les revues Géosciences de la nature et Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS) sur la façon dont le changement climatique affecte le mouvement polaire et la durée du jour.

Le changement climatique dépasse l’influence de la lune

Dans le PNAS Dans une étude, les chercheurs de l’ETH Zurich montrent que le changement climatique allonge également la durée du jour de quelques millisecondes par rapport aux 86 400 secondes actuelles. En effet, l’eau s’écoule des pôles vers les latitudes inférieures, ce qui ralentit la vitesse de rotation.

Une autre cause de ce ralentissement est le frottement des marées, déclenché par la Lune. Mais la nouvelle étude arrive à une conclusion surprenante : si les humains continuent à émettre davantage 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 détermine l’allongement de la durée du jour depuis des milliards d’années.

« Nous, les humains, avons un impact plus important sur notre planète que nous ne le pensons », conclut Soja, « et cela nous confère naturellement une grande responsabilité quant à l’avenir de notre planète. »

L’axe de rotation de la Terre se déplace

Cependant, les changements de masse à la surface de la Terre et à l’intérieur de celle-ci causés par la fonte des glaces ne modifient pas seulement la vitesse de rotation de la Terre et la durée du jour : comme le montrent les chercheurs dans Géosciences de la natureils modifient également l’axe de rotation. Cela signifie que les points où l’axe de rotation rencontre réellement la surface de la Terre se déplacent.

Les chercheurs peuvent observer ce mouvement des pôles qui, sur une période plus longue, atteint une dizaine de mètres par siècle. Ce n’est pas seulement la fonte des calottes glaciaires qui joue un rôle ici, mais aussi les mouvements qui se produisent à l’intérieur de la Terre.

Dans les profondeurs du manteau terrestre, où la roche devient visqueuse en raison de la haute pression, des déplacements se produisent sur de longues périodes. Il existe également des flux de chaleur dans le métal liquide du noyau externe de la Terre, qui sont responsables à la fois de la génération du champ magnétique terrestre et des déplacements de masse.

Dans la modélisation la plus complète à ce jour, Soja et son équipe ont désormais montré comment le mouvement polaire résulte de processus individuels dans le noyau, dans le manteau et du climat à la surface.

« Pour la première fois, nous présentons une explication complète des causes du mouvement des pôles à longue période », explique Mostafa Kiani Shahvandi, l’un des doctorants de Soja et auteur principal de l’étude. « En d’autres termes, nous savons désormais pourquoi et comment l’axe de rotation de la Terre se déplace par rapport à la croûte terrestre. »

L’une des conclusions qui ressortent particulièrement de leur étude est que les processus sur et dans la Terre sont interconnectés et s’influencent mutuellement. « Le changement climatique provoque un 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 terrestre », explique Soja.

Kiani Shahvandi ajoute : « Le changement climatique en cours pourrait donc affecter des processus en profondeur dans la Terre et avoir une portée plus grande que ce que l’on pensait jusqu’à présent. » Il n’y a toutefois pas lieu de s’inquiéter, car ces effets sont mineurs et il est peu probable qu’ils représentent un risque.

Les lois physiques combinées à l’IA

Pour étudier le mouvement des pôles, les chercheurs ont utilisé des réseaux neuronaux basés sur la physique. Il s’agit de méthodes d’intelligence artificielle (IA) innovantes qui permettent aux chercheurs d’appliquer les lois et les principes de la physique pour développer des algorithmes particulièrement puissants et fiables pour l’apprentissage automatique. Kiani Shahvandi a reçu le soutien de Siddhartha Mishra, professeur de mathématiques à l’ETH Zurich.

Les algorithmes développés par Kiani Shahvandi ont permis pour la première fois d’enregistrer tous les différents effets à la surface de la Terre, dans son manteau et dans son noyau, et de modéliser leurs interactions possibles. Le résultat des calculs montre comment les pôles de rotation de la Terre ont bougé depuis 1900. Ces valeurs modélisées concordent parfaitement avec les données réelles fournies par les observations astronomiques passées et par les satellites au cours des trente dernières années, ce qui permet également de faire des prévisions pour l’avenir.

Important pour les voyages spatiaux

« 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 », explique Soja. Une légère déviation d’un centimètre sur Terre peut se transformer en une déviation de plusieurs centaines de mètres sur les grandes distances concernées.

«Sinon, il ne sera pas possible d’atterrir dans un cratère spécifique sur Mars», dit-il.