Dans les années 1850, les compagnies ferroviaires britanniques ont commencé à introduire une heure standard unique pour rendre leurs horaires cohérents. Avant cela, chaque ville fixait sa propre horloge en fonction de l’observation de la position du soleil. De nos jours, des normes de temps précises sont non seulement nécessaires pour que les gens ne manquent pas leurs trains, mais aussi pour faire fonctionner les technologies de communication modernes et la navigation par satellite.

Généralement, il existe deux méthodes pour définir le temps, l’une est basée sur le passage local du temps mesuré par des horloges atomiques, tandis que l’autre repose sur la mesure exacte de la rotation de la Terre. Ce dernier n’est pas un exercice facile qui implique des sources radio extragalactiques ou d’énormes gyroscopes à laser. L’observation constante de la rotation de la Terre nous indique que les jours s’allongent constamment, mais étonnamment, les tremblements de terre et les phénomènes météorologiques violents peuvent également prendre de petites bouchées discrètes de l’approvisionnement de la planète en énergie cinétique de rotation.

Comment garder notre temps mesuré ultra précisément, la rotation de la Terre et notre position dans les cieux alignés?

TAI, UTC et UT1

Déviation de la durée du jour par rapport au jour SI. Les points de données montrent également l’introduction de secondes intercalaires.
Crédit: Ⅱ Ⅶ Ⅻ / Domaine public

Il existe un nombre déroutant de normes de temps différentes, mais la plus fondamentale est le temps atomique international (TAI). Il est défini par le Bureau international des poids et mesures en France et calculé à partir de la moyenne pondérée de plus de 400 horloges atomiques situées dans le monde entier qui tournent à un rythme incroyablement constant.

À l’autre extrémité du spectre se trouve le temps universel (UT1) qui à son tour est purement basé sur la rotation de la Terre.

Entre ces deux il y a le temps universel coordonné (UTC). Les secondes UTC ont la même longueur que les secondes TAI, mais UTC est ajusté pour garantir que la différence entre les lectures UTC et UT1 ne dépassera jamais 0,9 seconde, c’est là qu’interviennent les secondes intercalaires. La rotation de la Terre ralentissant, UTC devance TAI: actuellement, UTC a 37 secondes d’avance.

Surveillance de la rotation de la Terre avec des quasars et des gyroscopes laser

Gyroscope laser à anneau géant ROMY pour mesurer la rotation de la Terre.
Crédit: J. Igel / ETH Zurich, APS / Alan Stonebraker

S’il est difficile de synchroniser un réseau d’horloges atomiques, mesurer UT1 est encore plus difficile. La surveillance permanente du vecteur de rotation 3D de la Terre est la tâche du Service international de rotation terrestre et des systèmes de référence (IERS). L’étalon-or pour cette mesure est l’interférométrie de base très longue (VLBI). Le VLBI mesure les différences de temps entre l’arrivée des signaux micro-ondes de diverses sources radio extragalactiques (principalement des quasars) avec un réseau mondial de radiotélescopes terrestres. Ainsi, les positions relatives des télescopes dans le cadre de référence céleste peuvent être déterminées avec une précision de quelques millimètres.

Actuellement, la rotation de la Terre n’est pas surveillée en temps réel car il y a une certaine latence due au temps d’observation requis pour chaque mesure. Ajoutons que les télescopes concernés ne peuvent consacrer qu’une fraction de leur temps de disponibilité à la mesure VLBI. En outre, la technique de mesure VLBI n’est pas directement liée à l’axe de rotation de la Terre mais doit être calculée à partir des positions du télescope.

Il existe d’autres techniques de mesure qui résolvent ces problèmes et l’une d’elles est le gyroscope laser ROMY récemment achevé, situé dans une installation souterraine près de Munich, en Allemagne. ROMY se compose de quatre lasers à anneaux triangulaires de 12 m de long disposés en tétraèdre. Dans chaque triangle, deux faisceaux laser séparés circulent dans des directions opposées. Une rotation introduit un décalage de fréquence entre les deux lasers en fonction de l’effet Sagnac et l’interférence qui en résulte peut être utilisée pour déterminer la vitesse angulaire. À partir des quatre triangles, le vecteur de rotation 3D complet de la Terre peut être reconstruit. Bien que la stabilité à long terme ne soit toujours pas comparable à VLBI, ROMY peut fournir des observations complémentaires en temps réel avec une haute résolution.

Pourquoi la rotation de la Terre change-t-elle?

La rotation de la Terre est influencée par divers facteurs. Tout d’abord, l’axe de rotation change par rapport à la surface de la Terre, appelée mouvement polaire. La composante principale du mouvement polaire est la soi-disant oscillation de Chandler. Bien qu’il ait déjà été découvert par l’astronome américain Seth Carlo Chandler en 1891, la cause exacte de ce changement de rotation de la Terre avec une période d’environ 14 mois est toujours en débat. L’une des publications les plus récentes suppose qu’il est principalement excité par les fluctuations de pression dans l’océan.

Outre l’orientation, la vitesse de rotation de la Terre varie également avec d’autres périodicités. Au fur et à mesure que les marées déplacent la distribution de masse des océans autour des parties solides de la Terre, son inertie de rotation varie légèrement avec une période de 12 heures. Il existe également des variations saisonnières dues à la circulation atmosphérique. Des variations encore plus lentes sont causées par les écoulements dans le noyau liquide de la Terre et les variations climatiques à long terme de l’atmosphère.

En plus de tout cela, la rotation de la Terre ralentit constamment en raison de l’accélération des marées de la lune. La lune soulève les marées sur la Terre, étirant effectivement un peu la terre. Mais comme cette eau tourne avec la rotation de la Terre, l’asymétrie conduit un peu l’orbite de la lune, la tirant très légèrement. Ce moment angulaire de couple gravitationnel transféré de la Terre à la Lune allonge la journée de 2,3 ms / siècle.

La durée d’une journée peut même être influencée par de grands événements catastrophiques uniques. Un exemple est le tremblement de terre de l’océan Indien de 2004, qui, selon les calculs des scientifiques de la NASA, a raccourci la durée de la journée de trois microsecondes et déplacé la position du pôle Nord de 2,5 cm. Un exemple encore plus dramatique est l’événement El Niño de 1982-83 qui a allongé la durée du jour de 0,2 ms.

Une grande précision s’accompagne d’une grande responsabilité. D’une part, nous pouvons mesurer notre position dans l’univers à la largeur d’une gomme à crayon. En revanche, les horloges atomiques moyennées du TAI tournent avec une précision d’une partie sur 1014. Personne n’aime les secondes intercalaires, mais elles reflètent la réalité désordonnée de la vie sur une planète en mouvement soumise aux lois de la physique. C’est incroyable que nous puissions remarquer ces minuscules différences. Hourra pour la science!

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