L'influence des satellites

L'effet de la Lune sur la Terre

    Symbole d'amour pour les Aztèques, de mort pour les Grecs ou encore de fertilité pour les Égyptiens, la Lune a toujours été source d'innombrables légendes, croyances et mythes. Mais saviez-vous que sans notre Lune, l'inclinaison de l'axe de la Terre aurait subi des variations chaotiques ? Celles-ci auraient entraîné des variations climatiques incompatibles à la vie intelligente sur Terre. En effet, les faibles variations sont indispensables à la stabilité du climat et donc à l'apparition de l'espèce humaine.

    On sait déjà qu'en extrayant des carottes glacaires, les scientifiques ont pu retracer l'évolution du climat sur deux cents millions d'années et en déduire que sur un million d'années les variations de l'obliquité de la Terre ne dépassent pas 1.3 degré par rapport à la moyenne de 23.3 degrés.

   De plus nous savons que la  rotation de la Terre sur elle-même ralentit de deux millisecondes par siècle à cause de l'influence de la Lune. Rassurez-vous car à l'échelle de la vie humaine, ce ralentissement est imperceptible ! Cependant tous les 200 millions d'années, il lui faudra une heure de plus pour boucler un tour complet. Ce phénomène s'explique par le fait que notre satellite s'éloigne de plus en plus de nous à raison de quelques millimètres par an (trois pour être exact). Cela signifie qu'il y a quelques millions d'années, la durée d'un jour était de 23h car la Terre tournait plus vite et la Lune apparaissait comme étant plus grosse depuis la surface de la Terre.

L'effet des satellites sur Mars

     Sans l'effet stabilisateur de notre satellite, les variations d'inclinaison seraient plus importantes de quelques dizaines de degrés, comme elles le sont sur la planète Mars, dont les satellites Phobos et Déimos ont des masses faibles. Ces variations sont dues aux effets de résonance des autres planètes, c'est-à-dire à l'influence de la masse de celles-ci sur la planète étudiée. De fait, la masse de la Lune est de 7.3477x10²² kg, soit 1.23x10^-2 fois la masse de la Terre qui est de 5.972x10²⁴ kg. Celles de Déimos et Phobos sont respectivement de 1.4762x10¹⁵ kg et 1.0659x10¹⁶ kg. Déimos a donc une masse qui est égale à 2.31x10^-9 fois la masse de Mars (639x10²¹ kg) et Phobos 1.67x10^-8 fois. Le rapport de masse entre la planète et son satellite joue un rôle très important lorsqu'il s'agit de l'inclinaison de l'axe de rotation.

L'exemple de Pluton

    Ainsi, la Lune a empêché des résonances qui auraient certainement rendu la vie sur Terre profondément différente. Sans sa présence, l'axe des pôles changerait constamment d'orientation de 0 à 60 degrés (et plus). Les changements climatiques seraient donc importants et brutaux et la vie pluricellulaire aurait été impossible.

    L'effet du ralentissement de la Terre combiné avec l'éloignement de la Lune va entraîner un effet synchrone. C'est à dire que la partie de la Terre qui fera face à la Lune sera toujours la même. On aura donc une face qui verra toujours notre satellite et une autre qui ne le verra jamais. C'est le cas de Pluton et de son satellite Charon. En effet, Charon présente toujours la même face à Pluton et inversement. On peut par conséquent émettre l'hypothèse que les variations de l'inclinaison de l'axe de rotation seront plus lentes, ainsi que la précession. Cela aura-t-il des conséquences sur l'espèce humaine? Peut-être.

     Il existe un autre effet appelé nutation qui est dû à l'attraction de la Lune sur notre petite planète bleue. En effet, la précession est légèrement perturbée par de petites oscillations dont la période est de 18.6 ans. Ainsi, la Terre peut être assimilée à une toupie et cet effet peut, lui, être modélisé par le gyroscope.

Schéma illustrant le phénomène de nutation

Le gyroscope

Léon Foucault

    Né en 1819, ce physicien et astronome français aura apporté de grands progrès en physique avant sa mort en 1868. Il s'est intéressé notamment aux domaines de l'optique, l'électricité et la mécanique et a acquis une renommée pour son pendule, dispositif expérimental mettant en évidence la rotation de la Terre dans un référentiel galiléen, ses travaux en spectroscopie (l'étude des spectres de la lumière) et en photographie. Il a aussi découvert le phénomène des courants de Foucault (courants prenant naissance dans un conducteur en mouvement dans un champ magnétique ou dans un solide soumis à une variation de champ magnétique) et, enfin, a inventé le gyroscope pour modéliser la rotation  de la Terre.

Le pendule de Foucault

    Foucault recherche une manière de prouver la rotation de la Terre sur elle-même. Son pendule est le premier produit de ses recherches ; il permet de la mettre en évidence par des moyens uniquement terrestres.

    Il est constitué d'un fil métallique au bout duquel est pendu une sphère métallique sous laquelle est fixée une pointe en acier. On soumet le pendule à une force, de manière à ce qu'il se balance d'avant en arrière. A chaque oscillation, la pointe doit traverser un tas de sable : elle trace un sillon dedans.

    On est dans un référentiel galiléen : les forces se compensent de manière à ce qu'aucune force ne soit appliquée sur le pendule en dehors de celle qui l'a fait se balancer. Foucault a calculé que si la Terre ne tournait pas, la pointe tracerait toujours un sillon au même endroit dans le sable. En revanche, si la Terre tourne, le nouveau sillon sera tracé à côté du précédent, et ainsi de suite. Ainsi le pendule effectuera un tour complet sur lui-même.

    En effet, les sillons se déplacent au fil du temps. La Terre tourne donc sur elle-même.

    Cette expérience étant très compliquée à mettre en place – Foucault a suspendu son fil au sommet de la coupole du Panthéon en 1852, avec une sphère de 28 kg – il recherche un moyen plus simple de mettre en évidence la rotation de la Terre sur elle-même.

Le gyroscope

Foucault parvient à fabriquer un gyroscope, preuve plus aisée de la rotation de la Terre, en 1852.

Le gyroscope est constitué d'une roue tournante insérée dans un ou deux anneaux, et traversée par un axe pouvant être assimilé à une toupie : les deux ont le même mouvement de « double rotation ». Tout d'abord la précession, le fait d'effectuer un tour sur soi-même. Elle est modélisée par un mouvement circulaire perpendiculaire au plan de la roue. Ensuite la nutation, c'est-à-dire une oscillation de  faible amplitude autour de l'axe. Ces deux mouvements sont dus aux forces exercées sur le gyroscope : le poids du gyroscope l'entraîne vers son support, la réaction du support qui le repousse. Les forces doivent se compenser pour qu'on soit dans un repère galliléen.

Le gyroscope tourne vers l'Ouest, ce qui prouve qu'il est influencé par la rotation de la Terre sur elle-même, puisque la Terre tourne d'Est en Ouest. C'est donc bien une modélisation de la Terre.

Schéma mettant en évidence les ressemblances entre la Terre et un gyroscope