Comment le changement climatique modifie la rotation de la Terre

En raison du changement climatique, les masses de glace du Groenland et de l'Antarctique fondent. L'eau des régions polaires s'écoule dans les océans globaux et surtout aussi dans la zone équatoriale. "Cela signifie qu'il y a un déplacement de masse et que celui-ci a un impact sur la rotation de la Terre", explique Benedikt Soja, professeur de géodésie spatiale au Département de génie civil, environnemental et géomatique de l'ETH Zurich.

"On peut se représenter cela comme une patineuse artistique qui, lors d'une pirouette, garde d'abord les bras le long du corps avant de les étendre". La rotation, initialement rapide, ralentit ainsi parce que les masses s'éloignent de l'axe de rotation et que l'inertie physique augmente. En physique, on parle de la loi de conservation du moment cinétique, à laquelle obéit également le mouvement de 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 la Terre, même si ce n'est que de manière minime.

Soutenus par l'Agence spatiale américaine (NASA), des chercheurs de l'ETH du groupe de Soja ont publié deux études récentes dans les revues "Nature Geoscience" et "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) sur l'impact du changement climatique sur le mouvement des p?les et la durée du jour.

Le changement climatique dépasse l'influence de la lune

Dans l'étude des PNAS, les chercheurs de l'ETH montrent que le changement climatique augmente également de quelques millisecondes la durée du jour, qui est actuellement d'environ 86 400 secondes. En effet, l'eau s'écoule des p?les vers des latitudes plus basses et ralentit ainsi la vitesse de rotation.

Une autre cause de ce ralentissement est le frottement des marées provoqué par la lune. La nouvelle étude arrive ici à une conclusion surprenante : si les hommes continuent à émettre plus de gaz à effet de serre et que la Terre se réchauffe en conséquence, cela aurait finalement plus d'influence sur la vitesse de rotation de la Terre que l'effet de la Lune, qui détermine l'augmentation de la durée du jour depuis des milliards d'années. "Nous, les humains, avons une influence plus grande sur notre Terre que nous ne le pensons", conclut Benedikt Soja, "et il en résulte naturellement une grande responsabilité pour l'avenir de notre planète".

L'axe de rotation de la Terre se déplace

Les déplacements de masse à la surface et à l'intérieur de la Terre dus à la fonte des glaces ne modifient pas seulement la vitesse de rotation et la durée du jour de la Terre : comme le montrent les chercheurs dans "Nature Geoscience", ils déplacent également l'axe de rotation. Cela signifie que les points où l'axe de rotation rencontre concrètement la surface de la Terre se déplacent. Les chercheurs peuvent observer ce mouvement polaire. A long terme, il est de l'ordre d'une dizaine de mètres par siècle. La fonte des calottes glaciaires n'est pas le seul facteur à jouer un r?le, des mouvements se produisent également à l'intérieur de la Terre. Ainsi, dans les profondeurs du manteau terrestre, où les roches deviennent visqueuses en raison de la forte pression, des déplacements se produisent sur de longues périodes. Et dans le noyau externe de la Terre, composé de métal liquide, il existe également des flux de chaleur qui génèrent d'une part le champ magnétique terrestre, mais qui entra?nent également des déplacements de masse.

Benedikt Soja et son équipe ont maintenant montré, dans la modélisation la plus complète à ce jour, comment le mouvement des p?les résulte des différents processus dans le noyau, dans le manteau et par le climat à la surface. Leur étude vient d'être publiée dans la revue "Nature Geoscience" : "Nous présentons pour la première fois une explication complète des causes du mouvement polaire à longue période", explique Mostafa Kiani Shahvandi, doctorant de Soja et premier auteur de l'étude : "Nous savons désormais pourquoi et comment l'axe de rotation de la Terre se déplace par rapport à la cro?te terrestre".

Une découverte ressort particulièrement de leur étude "Nature Geoscience" : le fait que les processus sur et dans la Terre sont liés et s'influencent mutuellement. " Le changement climatique provoque un mouvement de l'axe de rotation de la Terre et il semble que la rétroaction de la conservation du moment cinétique modifie également la dynamique du noyau terrestre ", explique Soja et Kiani Shahvandi ajoute : " Le changement climatique en cours pourrait donc même avoir un impact sur les processus situés en profondeur à l'intérieur de la Terre et aller plus loin que ce que l'on pensait jusqu'à présent."Il n'y a toutefois pas lieu de s'inquiéter. Car ces effets sont minimes et il est peu probable qu'ils représentent un danger.

Les lois de la physique combinées à l'IA

Pour leur étude sur le mouvement des p?les, les chercheurs ont utilisé des réseaux neuronaux dits physikinformés. Il s'agit de nouvelles méthodes d'intelligence artificielle (IA) dans lesquelles les chercheurs s'inspirent des lois et principes physiques pour développer des algorithmes d'apprentissage automatique particulièrement puissants et fiables. Kiani Shahvandi a re?u pour cela le soutien du professeur de mathématiques de l'ETH Siddhartha Mishra, auquel l'ETH Zurich a décerné en 2023 le prix R?ssler, son prix de recherche le mieux doté, et qui est un spécialiste de ce domaine.

Les algorithmes créés par Kiani Shahvandi ont ainsi permis de recenser pour la première fois tous les différents effets à la surface, dans le manteau et dans le noyau de la Terre, et de modéliser leurs interactions possibles. Le résultat des calculs montre les mouvements des p?les de rotation de la Terre depuis 1900. Ces valeurs modélisées correspondent parfaitement aux données réelles fournies par les observations astronomiques du passé et par les satellites au cours des trente dernières années, ce qui permet également de faire des prévisions pour l'avenir.

Important pour l'espace

"Même si la rotation de la Terre ne change que lentement, il faut tenir compte de cet effet pour la navigation dans l'espace, par exemple lorsqu'une sonde spatiale veut se poser sur une autre planète", explique Soja. En effet, même un écart de seulement un centimètre sur Terre peut s'accro?tre jusqu'à un écart de centaines de mètres sur des distances gigantesques. "Dans ce cas, l'atterrissage dans un cratère particulier sur Mars ne fonctionnerait pas", ajoute le scientifique.