Le couplage gravitationnel dans les profondeurs de la Terre altère la vitesse de rotation planétaire

Une interaction gravitationnelle complexe entre le noyau interne solide de la Terre et le manteau sous-jacent altère la vitesse de rotation de la planète, provoquant de subtils changements dans la durée exacte d'un jour solaire, selon les informations de Jorge Garay. Le phénomène découle d'une dynamique physique située au plus profond de l'intérieur de la Terre, où les forces gravitationnelles exercées par les régions denses du manteau silicaté attirent le noyau interne métallique solide. Ce couplage gravitationnel agit parallèlement aux couples électromagnétiques générés par le noyau externe liquide, créant un échange continu de moment cinétique entre l'intérieur de la planète et les couches superficielles. En conséquence, le temps nécessaire à la Terre pour effectuer une rotation complète sur son axe fluctue de petites fractions de milliseconde sur des cycles pluridécennaux, ce qui a un impact direct sur les mesures de la rotation planétaire et les systèmes de synchronisation mondiale d'ultra-précision.

## Faits clés - Les forces gravitationnelles entre le noyau interne solide de la Terre et le manteau inférieur agissent aux côtés de la dynamique du noyau externe pour modifier la vitesse de rotation de la planète. - Les fluctuations de la rotation interne de la Terre font varier la durée d'un jour solaire de quelques microsecondes à plusieurs millisecondes sur des périodes pluridécennales. - Le noyau interne solide, principalement composé d'un alliage de fer et de nickel avec un rayon d'environ 1 220 kilomètres, est suspendu à l'intérieur d'un noyau externe liquide d'environ 2 200 kilomètres d'épaisseur. - La chronométrie mondiale moderne équilibre le temps universel coordonné (UTC), piloté par des horloges atomiques de haute précision, et le temps astronomique (UT1), qui reflète la vitesse de rotation physique de la Terre. - Le suivi précis de la durée du jour repose sur des mesures géodésiques, notamment l'interférométrie à très longue base (VLBI), la télémétrie laser sur satellites et l'observation des ondes sismiques mondiales.

## Ce qui s'est passé Le mécanisme à l'origine des changements de durée du jour implique un bras de fer dynamique au cœur de la structure terrestre, selon les informations de Jorge Garay. Au centre de la planète se trouve le noyau interne solide, une masse sphérique de fer et de nickel située à environ 5 100 kilomètres sous la surface. Autour de ce noyau interne se trouve une couche de fer et de nickel fondus de 2 200 kilomètres d'épaisseur formant le noyau externe, qui est délimitée au-dessus par le manteau rocheux silicaté s'étendant jusqu'à une profondeur d'environ 2 900 kilomètres. Le noyau interne étant totalement détaché du manteau solide, flottant au sein du fluide de faible viscosité du noyau externe, il est capable de tourner à une vitesse légèrement différente de celle du reste de la planète — un processus connu sous le nom de rotation différentielle.

Ce mouvement différentiel permet au couplage gravitationnel d'entrer en jeu. Le manteau inférieur n'est pas d'une densité totalement uniforme ; il contient des hétérogénéités structurelles à grande échelle, notamment des régions de plus forte densité associées à d'anciennes plaques tectoniques en subduction. Ces structures mantelliques denses exercent une attraction gravitationnelle sur des éléments non sphériques ou déséquilibrés en densité au sein du noyau interne solide. Lorsque le noyau interne tourne par rapport au manteau, ces forces gravitationnelles mutuelles créent un couple de rappel, tirant efficacement à la fois sur le noyau interne et sur le manteau.

Lorsque le noyau interne accélère ou ralentit par rapport au manteau, la conservation du moment cinétique total oblige le manteau et la croûte à ajuster leur vitesse de rotation en sens opposé. Étant donné que les infrastructures humaines et le suivi astronomique sont ancrés à la croûte, toute altération de la vitesse de rotation du manteau modifie directement la durée d'une journée. Cette interaction gravitationnelle, fonctionnant en tandem avec les mouvements fluides et les champs électromagnétiques au sein du noyau externe liquide, crée des oscillations décennales de la durée du jour qui accélèrent ou ralentissent périodiquement la rotation planétaire de fractions de milliseconde.

## Pourquoi c'est important Si les variations mesurées en millisecondes peuvent sembler négligeables dans la vie quotidienne, elles ont des conséquences majeures pour les infrastructures technologiques de haute précision, la navigation astronomique et les normes de chronométrie. Les communications numériques modernes, les marchés financiers automatisés, les réseaux électriques et les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) — tels que le GPS américain, le Galileo européen et le GLONASS russe — reposent sur une précision de synchronisation allant jusqu'à la nanoseconde. Les systèmes de positionnement par satellite calculent les distances en fonction du temps nécessaire aux signaux radio voyageant à la vitesse de la lumière pour atteindre les récepteurs au sol ; un décalage non détecté de la position de rotation de la Terre peut introduire des erreurs de positionnement dans le suivi des satellites et la détermination des orbites.

De plus, la mesure du temps civil repose sur le temps universel coordonné (UTC), une norme de temps atomique maintenue par des centaines d'horloges atomiques ultra-stables à travers le monde. Pour maintenir l'UTC aligné sur la rotation astronomique réelle de la Terre (appelée UT1), les autorités internationales de la mesure du temps insèrent ou suppriment périodiquement des « secondes intercalaires » lorsque la dérive entre le temps atomique et le temps de rotation approche 0,9 seconde. Les fluctuations induites par la dynamique profonde de la Terre rendent difficiles les prévisions de rotation à long terme. Des changements inattendus de la vitesse de rotation planétaire peuvent imposer des modifications soudaines de la programmation des secondes intercalaires ou compliquer les efforts internationaux en cours pour réformer les protocoles de mesure du temps. En 2022, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a voté la suppression ou l'ajustement du système des secondes intercalaires d'ici 2035, une transition qui nécessite des modèles prédictifs précis de la rotation variable de la Terre pour être mise en œuvre en toute sécurité sans perturber les réseaux informatiques mondiaux.

## Contexte Les scientifiques savent depuis des siècles que la Terre ne tourne pas à une vitesse tout à fait constante, mais les mécanismes internes à l'origine de ces variations ne sont devenus clairs grâce à la géophysique moderne. Les archives à long terme des éclipses solaires remontant à plus de deux millénaires révèlent que la durée d'un jour solaire augmente d'environ 1,7 à 2,3 millisecondes par siècle. Ce ralentissement séculaire est principalement causé par les frottements dus aux marées : l'attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil crée des marées océaniques qui agissent comme un frein fluide sur la rotation terrestre, transférant le moment cinétique de la Terre vers l'orbite lunaire.

Cependant, les variations à plus court terme se produisant sur des échelles de temps allant de quelques années à plusieurs décennies ne peuvent pas s'expliquer par la seule dissipation par les marées. En 1936, la sismologue danoise Inge Lehmann a découvert le noyau interne solide de la Terre en analysant les ondes sismiques générées par des séismes profonds. Des décennies plus tard, en 1996, les sismologues Xiaodong Song et Paul Richards ont présenté des preuves observationnelles montrant que le noyau interne tourne à une vitesse différente de celle du manteau, en analysant des signaux de doublets sismiques ayant traversé le noyau interne sur plusieurs décennies.

Les géophysiciens ont ensuite développé des modèles théoriques pour expliquer comment le noyau interne, le noyau externe et le manteau échangent du moment cinétique. Deux mécanismes principaux ont été identifiés : le couplage électromagnétique, où les champs magnétiques générés par la géodynamo du noyau externe exercent une force sur le noyau interne et le manteau ; et le couplage gravitationnel, proposé par des géophysiciens tels que Bruce Buffett, dans lequel les forces gravitationnelles entre les anomalies denses du manteau et les structures du noyau interne verrouillent leurs positions dans un système de couple oscillant.

L'avènement des horloges atomiques en 1955, suivi de l'établissement du Temps atomique international (TAI) en 1967, a fourni aux scientifiques une horloge de référence immuable et indépendante du mouvement planétaire. La comparaison du temps atomique avec les observations astronomiques a confirmé que la Terre subit des fluctuations décennales de plusieurs millisecondes, qui s'superposent aux décalages saisonniers induits par les vents atmosphériques et la redistribution des masses océaniques.

## Réactions Les géophysiciens, géodésiens et métrologues ont répondu aux recherches en cours sur la rotation interne de la Terre en appelant au renforcement des réseaux de surveillance mondiaux. Le Service international de la rotation de la Terre et des systèmes de référence (IERS), basé à Paris et Francfort, suit régulièrement les changements des paramètres d'orientation de la Terre et évalue l'influence de la dynamique interne profonde sur le calcul de la durée du jour.

Au sein de la communauté scientifique, les chercheurs soulignent qu'il est essentiel de comprendre les couples gravitationnels du noyau interne pour séparer les forces planétaires internes des phénomènes de surface, tels que la perte de masse de glace d'origine climatique et l'élévation du niveau de la mer, qui redistribuent également les masses à la surface et modifient le moment d'inertie de la Terre. Les métrologues affiliés au Bureau international des poids et mesures (BIPM) suivent de près ces études géophysiques, car des variations de rotation imprévues affectent directement la planification des futures normes d'échelle de temps atomique. En parallèle, les entreprises technologiques et les fournisseurs d'infrastructures de cloud informatique continuent de préconiser des modèles de rotation prévisibles afin d'éviter les interruptions opérationnelles liées à des ajustements inattendus de la seconde intercalaire.

## Ce que nous ne savons pas encore Malgré des avancées significatives en tomographie sismique et en géodésie par satellite, plusieurs paramètres clés concernant la dynamique du noyau interne de la Terre restent incertains. L'ampleur et la distribution exactes des anomalies de masse au sein du manteau inférieur et du noyau interne ne sont pas entièrement cartographiées, ce qui laisse la force précise du couplage gravitationnel sujette à débat parmi les géophysiciens.

De plus, les scientifiques continuent de débattre de la nature exacte du mouvement du noyau interne. Alors que certains modèles suggèrent une sur-rotation différentielle continue, d'autres études indiquent que le noyau interne subit des oscillations pluridécennales, modifiant sa vitesse de rotation par rapport au manteau par allers-retours sur des cycles d'environ 60 à 70 ans. L'équilibre précis entre le freinage électromagnétique dû à la dynamo du noyau externe et les forces de rappel gravitationnelles du manteau reste également non résolu. La résolution de ces incertitudes nécessite une surveillance sismique continue à long terme et des mesures géodésiques affinées au cours des prochaines décennies.

## À surveiller Les étapes clés suivantes détermineront comment la dynamique interne de la Terre influencera les systèmes mondiaux dans les années à venir : - Les bulletins de décision émis par le Service international de la rotation de la Terre et des systèmes de référence (IERS), publiés deux fois par an, qui annoncent si des secondes intercalaires seront ajoutées ou retranchées du temps universel coordonné. - Les mises en œuvre menant à la date cible de 2035 fixée par la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) pour abandonner les insertions traditionnelles de secondes intercalaires au profit d'ajustements de synchronisation plus importants et moins fréquents. - Les nouvelles données d'observation issues des réseaux mondiaux d'interférométrie à très longue base (VLBI) et des stations de télémétrie laser sur satellites suivant les décalages de l'ordre de la microseconde dans la vitesse de rotation de la Terre. - Les études de doublets sismiques et les analyses tomographiques de la Terre profonde publiées par des équipes internationales de recherche en géophysique surveillant d'éventuels changements de direction ou de vitesse dans la rotation du noyau interne.

Ce rapport s'inspire d'un reportage original de Jorge Garay concernant la dynamique gravitationnelle entre le noyau interne et le manteau de la Terre et son impact sur la vitesse de rotation planétaire.