Le centre de masse de la Terre se déplace et les scientifiques viennent de découvrir quelque chose de surprenant
Le centre de masse de la Terre se déplace de quelques millimètres chaque année : l'eau, la neige et l'air entraînent cette oscillation saisonnière
En avril, il tombe tellement d'eau sur l'Amazonie que le centre de masse de la Terre se déplace d'environ 2,2 millimètres vers l'Amérique du Sud. En mars, il était parti dans la direction opposée, entraîné sur environ 3 millimètres vers le pôle Nord par la neige accumulée entre l'Amérique du Nord et l'Eurasie. Viennent ensuite les océans, les moussons et même l’air froid. Bref, notre planète possède un centre qui reste tout mais immobile tout au long de l'année.
Mieux mesurer ce petit mouvement est une nouveauté étude publiée dans Geophysical Journal Internationaldirigé par le géophysicien Donald Argus du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. La nouvelle estimation suggère que l’oscillation saisonnière du centre de masse est environ la moitié de ce que l’on pensait il y a huit ans. Ce ne sont que quelques millimètres, mais suffisants pour intéresser ceux qui ont besoin de mesurer la Terre avec une extrême précision.
Le centre de la Terre que nous utilisons pour le GPS se déplace
Le centre de masse ne coïncide pas nécessairement avec le centre géométrique de la planète, c'est-à-dire le point que l'on imaginerait au milieu d'une Terre parfaitement uniforme. La première dépend de la manière dont est répartie toute la masse du système Terre : roches, eau, glace et atmosphère incluses.
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Et cette masse voyage beaucoup. L'eau passe de la terre aux océans et vice versa, la neige s'accumule et fond, les rivières gonflent, l'humidité des sols et les nappes phréatiques changent, les masses d'air se déplacent. Parallèlement, le poids de l'eau et de la glace déforme également légèrement la croûte terrestre. Le résultat est un centre de masse qui décrit une petite oscillation saisonnière par rapport à la surface solide de la Terre.
La question devient moins abstraite une fois que le GPS entre en scène. Le centre de masse de la Terre, également appelé géocentreest une référence fondamentale pour les systèmes géodésiques utilisés dans la navigation par satellite, la cartographie et les mesures de la hauteur de la surface terrestre. Lorsqu’on travaille de l’ordre du millimètre, même un centre qui bouge très légèrement cesse d’être un détail.
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De plus, jusqu’à présent, le mesurer avec précision n’était pas chose aisée. Deux estimations internationales publiées en 2017 et 2023 différaient l’une de l’autre d’environ 7 millimètres, soit presque autant que le mouvement qu’elles tentaient de reconstituer. Ce n’est pas vraiment idéal lorsque la règle est censée être la partie fiable de l’expérience.
Deux sphères métalliques, lasers et satellites pour trouver un point invisible
L’équipe Argus a ensuite combiné plusieurs outils. Une partie importante du travail passe par les satellites LAGEOS 1 et LAGEOS 2, lancés respectivement en 1976 et 1992 : deux sphères métalliques pesant environ 408 kilogrammes recouvertes de prismes qui réfléchissent les impulsions laser envoyées depuis les stations terriennes. LAGEOS-2, d'ailleurs, a été construit par l'Agence spatiale italienne.
Les satellites gravitent naturellement autour du centre de masse de la Terre. En mesurant leur distance par rapport aux stations au sol avec une extrême précision, il est possible de reconstituer l'emplacement de ce centre. Le problème est que les stations laser ne sont pas réparties uniformément sur la planète.
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La nouvelle technique ajoute ensuite les données GPS et les informations orbitales d'autres satellites en orbite basse et prend également en compte les déformations élastiques de la croûte provoquées par le poids de l'eau et de la glace. Une étape importante : si le sol sous une station s'abaisse ou monte légèrement, le point de départ de la mesure s'est également déplacé. L’ignorer revient à introduire une erreur en recherchant des variations de quelques millimètres.
La neige pousse vers le nord, l'Amazonie ramène tout vers le sud
Après avoir reconstitué l'oscillation, les chercheurs ont séparé l'apport de trois grands réservoirs de masse : les eaux continentales, les océans et l'atmosphère.
En mars, la neige accumulée en Amérique du Nord et en Eurasie atteint son maximum saisonnier et déplace le centre de masse d'environ 3 millimètres vers le pôle Nord. Un mois plus tard, le bassin amazonien entre en jeu de manière importante : pendant la période de précipitations maximales, il contient environ 2 400 gigatonnes d'eau supplémentaire, de quoi déplacer le géocentre d'environ 2,2 millimètres vers l'Amérique du Sud. En novembre, la mousson d'Asie du Sud-Est apporte une contribution moindre, avec environ 600 gigatonnes d'eau.
Entre août et octobre, la répartition change à nouveau. L'eau de fonte et les précipitations atteignent les océans et le centre de masse se déplace vers le Pacifique Sud. La taille du Pacifique signifie que les variations de masse dans cette zone pèsent beaucoup plus que celles des mers individuelles, même si la Méditerranée, la Baltique, la mer du Nord, la mer Rouge et la mer de Barents laissent toutes une faible empreinte.
Même l'ambiance joue son rôle. L'air froid est plus dense et donc plus lourd : à l'aide d'un modèle du Centre européen de prévisions météorologiques à moyen terme, l'équipe a reconstruit comment les masses d'air hivernales modifient de façon saisonnière l'équilibre entre les hémisphères.
Les résultats concordent également avec les observations des deux satellites GRACE-FO, qui mesurent depuis 2018 les variations du champ gravitationnel terrestre suite principalement aux mouvements de l'eau. Lorsqu'un des deux satellites survole une zone où se concentre davantage de masse, il est légèrement plus attiré et la distance avec son compagnon change. Pas grand-chose, évidemment. De quoi être mesuré.
L'estimation plus petite obtenue par les nouveaux travaux ne signifie pas que la Terre a soudainement réduit de moitié son mouvement. La manière de le reconstruire s'est améliorée. Et ces millimètres aboutissent dans des systèmes qui doivent localiser les satellites, mesurer le niveau de la mer, suivre les mouvements de la croûte et fournir des coordonnées de plus en plus précises.
Pour la prochaine étape, la NASA se tourne déjà vers GRACE-C, la mission destinée à poursuivre la longue série d'observations gravitationnelles et actuellement prévue pour fin 2028. Le centre de la planète continuera à se déplacer au fil des saisons. Au moins, nous avons maintenant une règle légèrement meilleure à suivre.
