La Terre est aplatie aux pôles et renflée à l'équateur. La combinaison de cette propriété avec la rotation de la Terre sur elle-même confère à l'axe de rotation de notre planète un mouvement, dit de précession, semblable à celui de l'axe d'une toupie. Ce mouvement est lié à l'attraction gravitationnelle du Soleil, de la Lune, et des autres planètes du système solaire , qui induisent un couple de forces qui tend à faire basculer l'axe de rotation de la Terre et à l'amener dans une position perpendiculaire au plan de l'écliptique. Ce mouvement est contrebalançé par la force centrifuge due à la rotation de la Terre; la résultante des deux forces induisant une précession de l'axe de rotation de la Terre, qui est actuellement incliné de 23°26' par rapport à l'axe des pôles de l'écliptique. La précession des équinoxes a une double périodicité : 19000 et 23000 ans. La conséquence la mieux connue est que les pôles célestes se déplacent (voir figure ci-dessous).
L'autre effet de ce mouvement est une précession dans le sens rétrograde du point vernal (direction du soleil à l'équinoxe de printemps), ce qui se traduit par le déplacement des solstices et des équinoxes ( d'où le nom de ce mouvement ) par rapport à la position de la Terre sur son orbite. Ainsi , il y a 13000 ans , les saisons étaient inversées par rapport à aujourd'hui ( voir schéma ci-dessous ). La précession du périhélie de l'orbite terrestre a une périodicité de 135000 ans.
L'hiver de l'hémisphère nord avait alors lieu lorsque la Terre était plus éloignée du soleil , l'été ayant lieu au passage au périhélie de notre planète. Le contraste entre les saisons se trouvait donc accentué. Aujourd'hui , cette situation a lieu dans l'hémisphère Sud , et le contraste entre les saisons est moins important car cet hémisphère est essentiellement recouvert d'océans, tandis que la plupart des terres émergées se regroupent dans l'hémisphère Nord. Ce mouvement parait simple, mais la réalité est différente: au cycle de 23000 ans s'ajoute un cycle d'une vingtaine d'années, consistant en de petites oscillations de l'axe de rotation de la Terre autour de sa position moyenne, cycle appelé "nutation" [1] par les astronomes. On notera que les effets de la précession des équinoxes sont plus important aux basses latitudes qu'aux pôles. De plus, une modification des moussons et de la circulation océanique aurait rendu le Sahara verdoyant il y a 8000 ans. A.Berger pense que cela est dû à la précession des équinoxes, mais nous n'en savons rien pour l'instant.
La précession des équinoxes est également à l’origine de celle du pôle céleste. Le pôle nord céleste pointait vers l’étoile Alpha du Dragon (Thuban) il y a 4000 ans.
Aujourd’hui, le pôle nord céleste pointe vers Alpha de la Petite Ourse. Dans 13000 ans, il pointera vers Véga (Alpha de la Lyre), pour revenir vers Thuban dans 19000 ans, puis de nouveau vers notre étoile polaire dans 23000 ans.
Le pôle sud céleste ne pointe actuellement vers aucune étoile brillante [2] , mais la prochaine étoile polaire australe pourrait être Alpha du Centaure.
La précession des équinoxes a été découverte bien avant que Milutin Milankovitch ne fasse le lien avec le cycle des glaciations découvert au XIXème siècle par Louis Agassiz. C’est l’astronome grec Hipparque (190-120 avant J.C.) qui l’a découvert, en comparant les positions des étoiles qu’il avait compilées dans un catalogue, avec celles calculées 150 ans plus tôt par un autre astronome grec, Timocharis.
La précession des équinoxes est, rapellons le, liée à la force gravitationnelle de la Lune et du Soleil. Elle est associée à des oscillations de l'axe de rotation de la Terre. Ces oscillations sont appelées nutations, et la principale, dite nutation de Bradley a une amplitude de 9,2 secondes d'angle et une période de 18,6 ans. Il existe également des nutations de plus faibles amplitudes et de périodes plus courtes (annuelle, semi annuelle...). Ces nutations sont induites par la rotation du noyau terrestre, qui comporte une couche externe liquide et une couche interne solide.
Ce cycle peut influencer le climat terrestre, mais dans une moindre mesure que la précession elle-même. Par ailleurs, la nutation pourrait avoir un lien avec le cycle de variation de la hauteur des marées d'équinoxes, qui a une période de 18 ans environ. (Pour plus d'informations à ce sujet, voyez le site internet du SHOM, http://www.shom.fr ).
A ceci, s'ajoute le phénomène de la polhodie, un phénomène de précession de faible ampleur des pôles terrestres, découvert en 1783 par le mathématicien Leonhard Euler. Cette précession, liée au fait que la Terre n'est pas rigide, se fait en 433 jours (Cycle dit de Chandler ; à noter qu'Euler avait postulé que ce cycle durait 305 jours, une valeur qui s'est révélée sous-estimée.) ; le pôle oscille de ±0,325 secondes d'arc autour du pôle d'inertie de la Terre (Soit, rapporté à la circonférence terrestre, une oscillation de ±20 mètres). Compte-tenu de sa faible ampleur, la polhodie n'a pas d'influence sur les saisons.
[1] Ces oscillations n'ont rien à voir avec la variation de l'obliquité de la Terre , que nous avons vu dans le précédent chapitre.
[2] L’étoile polaire sud est actuellement Sigma Octantis, une petite étoile peu brillante et difficile à voir à l’œil nu.
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