Adapt

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Lévolution de lorbite terrestre

• Adapté de http//la.climatologie.free.fr/glaciatio
  n/glaciation.htm
• Observatoire de Lyon Université Lyon 1

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Lensoleillement et sa variabilité en un endroit
de la Terre sont conditionnés par de très
nombreux facteurs que lon peut classer en
externes distances Terre Soleil, vitesses sur
lorbite, inclinaison internes position sur la
Terre, dérive des continents, relief, rotation
diurne, composition de latmosphère, etc.
Les facteurs externes proviennent essentiellement
du trio Soleil-Terre-Lune lié gravitationnellement
. Ceci impose la position réciproque des corps en
distances, vitesses et orientation. Au cours des
milliers de millénaires (millionnaires ?), les
perturbations réciproques déforment les orbites
et subissent des variations quasi-périodiques. Tou
t ceci influe sur lensoleillement reçu et
conditionne en partie le climat.
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Lorbite de la Terre et les paramètres variables
La Terre seule dans lUnivers avec le Soleil
possèderait une orbite képlérienne fixe orbite
coplanaire elliptique, etc.

• Les principales perturbations sont dues à
• la présence de la Lune
• le bourrelet équatorial du à la rotation de la
  Terre sur elle-même et aux marées
• les autres planètes du système solaire (Jupiter,
  puis Saturne)

Les principaux effets sont - la précession des
équinoxes et du périhélie - l'obliquité
changeante - la variation de la forme de l'orbite
terrestre
Article de référence J. Laskar, F. Joutel, and
F. Boudin. Orbital, precessional, and insolation
quantities for the Earth from -20 Myr o 10 Myr.
Astron. Astrophys. 270, 522-533, 1993. J. Laskar,
B. Levrard, J. Mustard, " Orbital forcing of the
martian layered deposits", Nature, 26 septembre
2002
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Précession et rotation du périhélie
Les saisons se définissent par rapport au point
vernal (? ). Rappel la direction du point ? est
celle définie par lintersection des plans
écliptique et équateur. Des deux directions de
laxe, celle choisie (par convention) est celle
du Soleil lorsquil passe de lhémisphère sud au
nord.
Par construction, à ce moment là, laxe de
rotation de la terre est orthogonal au rayon
Soleil-Terre.

• Le décalage de ce point sur lorbite résulte de
• la précession de laxe de rotation
• lavance du périhélie
• Lensemble est la précession climatique.

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Précession et rotation du périhélie
Période de déplacement du périhélie par rapport
au point ? ?
Précession (inverse) 0,013670 Mvt du périhélie
(direct) 0,003279 --------------- résultante
0,016949/an
La dissymétrie des saisons a donc une période
denviron 21 000 ans.
Une perturbation de 400 000 ans de période se
superpose. On observe alors deux périodes de
19000 et 23000 ans
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Rotation du point g par rapport au périhélie.
Rotation du périhélie seule
Rotation de laxe (effet de toupie)
Les deux précessions influent sur la distance
Soleil-Terre aux différentes saisons.
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Effets de la rotation du périhélie
En 2000, le périhélie est proche du solstice
dhiver. Quelle est la différence d insolation
due aux variations de distance entre les
solstices ?
L équation de lellipse donne les distances au
périhélie et à laphélie
L énergie reçue étant inversement
proportionnelle au carré de la distance
Au moment de la saison froide, lhémisphère nord
(solstice dhiver) reçoit 7 de plus dénergie
que le sud (au solstice dhiver). Lhiver 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 léquateur vers les pôles.
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Effets de la rotation du périhélie
Quamène la rotation du périhélie ?

• Le changement cyclique de la dissymétrie
  densoleillement 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 le cas vers -3250, où le périhélie était
  à léquinoxe dautomne.
• Cétait le temps des premières pyramides.
• Les pyramides étaient-elle entourées de jardins
  verdoyants ?

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La variation de la forme de l'orbite terrestre
(excentricité)
Lexcentricité varie aussi à long terme, entre
les valeurs extrêmes de 0.0 et 0.065.
Actuellement e 0,0167 et a tendance à décroître.
Effet direct sur lensoleillement global (très
faible) et sur la dissymétrie été-hiver.
Période 100 000 ans (et 400 000 ans).
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Excentricité et accentuation des saisons
Variations de l énergie reçue au périhélie et à
laphélie avec l excentricité
Voir TD Calcul durées des saisons.
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Variations de lexcentricité
Analyse spectrale
Effet sur lensoleillement (global sur un an)
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Valeurs extrêmes de 0.0 et 0.065.
Actuellement e 0,0167
Périodes 100 000 ans et 400 000 ans.
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Excentricité
Courbe théorique par intégrations numériques
Analyse spectrale
Période Amplitude Phase 2000 0,15 ?
412 1,00 ? 131 0,26 ? 123 0,41 ?
99 0,35 ? 95 0,58 ?
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Variation de lexcentricité - Travail sur Excel
On tabule langle q de 0 à 360 par 0.5 Calcul de
a, b, c pour différentes excentricité
Calcul de ro pour chaque e.
Calcul de x et y ramené au centre de lellipse.
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Ce que lon voit dans les livres
Variation de lexcentricité - Travail sur Excel
Et la réalité ?
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Variation de lexcentricité - Travail sur Excel
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Variations et périodicité des variations de
lexcentricité
L'excentricité lors de ces 5 millions d'années
L'excentricité lors de ces 500 000 dernières
années
Résultats par synthèse de calculs de mécanique
céleste et de données paléontologiques.
Extraction des périodes de variations ?
? Analyse de Fourier
http//la.climatologie.free.fr/glaciation/glaciati
on.htm
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Analyse spectrale

• Méthodes utilisées pour mettre en évidence les
  composantes périodiques dans une courbe.
• Elle élimine les bruits qui perturbent la
  lecture du signal
• Elle permet de distinguer les différents
  éléments qui compose le signal.
• La transformation de Fourier est l'une des
  méthodes utilisées fréquemment en analyse
  spectrale.

Elle permet de reconnaître toutes les composantes
périodiques (CP) présentes dans une courbe.
Exemple - les courbes A et B sont
caractérisées chacune par une composante
périodique de fréquence différente mais de même
amplitude. - la courbe C, qui résulte de la
combinaison de deux cycles différents, est
caractérisée par deux composantes
périodiques. Bibliographie A.Foucault, 1993.
19
Variations et périodicité des variations de
lexcentricité
20
Variations et périodicité des variations de
lexcentricité
Phénomène complexe du au nombreuses causes de
perturbation
Les fréquences des perturbations se répercutent
sur les autres paramètres.
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Les variations de la précession et périhélie
Les variations modulées par lexcentricité
variable
La combinaison des deux précessions 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.
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Essai de reconstitution de variations
dexcentricité
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Variations de lobliquité ou inclinaison de laxe
de rotation
Obliquité inclinaison de laxe de rotation de
la Terre par rapport à la normale au plan de
lécliptique.
Rappel si lobliquité était nulle, il ny
aurait pas de variation densoleillement sauf
celle due à lexcentricité, donc pratiquement pas
de saisons alternées entre le nord et le sud.
En plus du grand mouvement de précession qui
naffecte pas linclinaison, laxe de rotation
subit des variations.
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Variations de lobliquité ou inclinaison de laxe
de rotation
En plus du grand mouvement de précession qui
naffecte pas linclinaison, laxe de rotation
subit des variations sous leffet

• des perturbations gravitationnelles dues à la
  Lune, au Soleil et aux planètes (dissymétrie du
  bourrelet équatorial). La nutation.

• des grands mouvements de déplacement des
  continents

• des mouvements de convection à lintérieur de la
  Terre

Lobliquité varie entre 21,5 et
24,5. Actuellement elle vaut 2326
23,43 Période du cycle 41 000 ans
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Variations de lobliquité(inclinaison de laxe
de rotation de la Terre  sur l écliptique )
Elle varie entre 21,5 et 24,5.
Et vaut actuellement 2326 23,44
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Effets perturbateurs et stabilisateurs
La présence de tous les membres de la famille du
système solaire est la cause de toutes les
perturbations qui vont influer sur
lenvironnement climatique de la Terre.
Labsence de certains des membres pourrait être
encore plus catastrophique.
Deux exemples Vénus et la Lune.

• Vénus planète seulette sans compagnon, un peu
  plus près du Soleil que la Terre, a comme
  caractéristiques
• une rotation sur elle-même inverse
• une rotation très lente.

Explications probables - retournement de laxe
par les perturbations des grosses planètes -
synchronisation de la rotation sur les passages
de la Terre.
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Effets perturbateurs et stabilisateurs
La Lune
Simulation des variations de lobliquité de la
terre sur deux millions dannées
1 un million dannées avec tous les corps du
système solaire.
2 - un million dannées sans la Lune
Les variations deviennent chaotiques et les
variations densoleillement ne laissent rien
présager de bon.
Les relations Terre-Soleil seraient-elles
lunatiques .
Biblio Laskar
28
FIN
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Effet sur le climat
30
L'astronome Serbe Milutin Milankovitch a démontré
entre 1920 et 1941 que toutes ces variations sont
la cause des glaciations que la Terre a subies.
La dernière grande glaciation a connu son maximum
il y a 22 000 ans, les températures étaient
inférieures d'environ six degrés à celles
actuelles et on peut s'attendre à un retour de la
glace dans plusieurs dizaines de milliers
d'années.
Origine astronomique des cycles de
Milankovitch La théorie astronomique des climats
est basée sur l'idée que les variations à long
terme (ou séculaires) des paramètres de l'orbite
et de la rotation terrestre engendrent des
variations de l'ensoleillement (ou insolation)
reçue à la surface de la Terre, ces variations
pouvant entraîner des changements climatiques
dont la trace est parfois enregistrée ou gravée
dans certains indicateurs paléoclimatiques et
séquences géologiques.
31
(No Transcript)
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Toutes les influences directes sont regroupées
dans la théorie de Milankovitch (1930)
Les périodes de glaciation / réchauffement
devraient suivre les grandes variations de
lensoleillement dues aux paramètres de lorbite
de la Terre.

• une lente augmentation depuis sa naissance

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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 dalbedo

• 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 dobtenir les variations de
composition, de températures et ...
et l on observe des variations en dents de scie.
34
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.
35
Mais dans lanalyse de l abondance de H218O dans
les carottes des glaces polaires, qui est un bon
reflet de la température, lanalyse 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.
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Lobservation 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 dune période igloo
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Les géophysiciens et les paléontologues, en ont
conclu que les variations densoleillement sont
les effets déclencheurs de phénomènes
amplificateurs ou modérateurs, tels la
composition de latmosphère, la surface de glace
aux calottes polaires, etc.
Mais il est remarquable quau Quaternaire, il est
dénombré 17 cycles glaciation-réchauffement, tous
en phase avec les variations des éléments de
lorbite terrestre.
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Précession et rotation du périhélie
Constante de la précession Précession
luni-solaire 50,39 Précession générale
50,290966 soit 25770 années
Constante de Gauss
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Les variations saisonnières d'insolation
associées au cycle de précession dépassent
souvent 10. Il s'agit du principal forçage
climatique à l'échelle des milliers d'années.
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Variations de lobliquité(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.
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L'obliquité de la Terre
Evolution de l'obliquité de l'écliptique dans le
temps