Dissipation dans le système Terre-Lune

Dissipation in the Earth-Moon system

• Auteur / Autrice : Mohammad Farhat
• Direction : Jacques Laskar, Gwenaël Boué
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 05/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (Paris ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : François Forget
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jihad Touma, Marianne Greff, Frits Hilgen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alessandro Forte, Robert Tyler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique céleste

Lune

Terre

Planètes telluriques

Marées atmosphériques

Marées

Rebond post-glaciaire

Mots clés libres

Terre

Lune

Marées océaniques

Marées atmosphériques

Rebond post-glaciaire

Planètes telluriques

Earth

Moon

Oceanic tides

Atmospheric tides

Glacial isostatic adjustment

Terrestrial planets

Résumé

L'évolution dynamique à long terme du système Terre-Lune est revisitée à travers trois mécanismes géophysiques distincts qui impliquent des redistributions de masse planétaire solide et fluide affectant l'histoire du système. Tout d'abord, nous estimons l'effet des cycles glaciaires du Cénozoïque sur la figure de la Terre. Dans le cadre de la théorie de l'ajustement isostatique, et en utilisant une compilation récente des proxys du volume global de glace, nous résolvons l'équation du niveau de la mer, et nous présentons une série temporelle de l'évolution de l'ellipticité dynamique pendant les périodes glaciaires du Cénozoïque. Nous identifions les principales sensibilités de cette évolution aux variations potentielles de la charge de glace, et aux incertitudes de la modélisation rhéologique et des profils de viscosité interne. Nous ajustons notre modèle paramétrique aux observations récentes du taux de variation du J2 et aux mesures de la dérive des pôles. Nous fournissons ainsi des estimations de la perturbation relative de l'ellipticité dynamique durant l'âge glaciaire du Cénozoïque. Ensuite, nous revisitons l'histoire de l'évolution de la distance Terre-Lune. Les données géologiques disponibles fournissent des instantanés de l'histoire de l'orbite lunaire, le plus ancien enregistré à ce jour datant de ~ 3.2 Ga. Cependant, une reconstruction théorique complète de l'orbite lunaire, qui retrace son évolution depuis l'état actuel jusqu'à sa formation il y a ~ 4.5 Ga, restait à établir. En effet, les modèles précédents de cette reconstruction sont souvent empiriques ou numériquement coûteux, et sont tous incompatibles avec l'âge de la Lune. Nous entreprenons une caractérisation systématique de la dissipation de marée à la fois dans les océans et dans l'intérieur solide de la Terre. Nous fournissons ainsi, pour la première fois, une histoire de l'orbite lunaire en accord avec la mesure actuelle de sa récession et avec l'âge estimé de la Lune. Notre travail s'inscrit dans une lignée de travaux antérieurs sur le traitement analytique des marées fluides, couplées en outre aux déformations des marées solides. Nous obtenons une histoire de l'orbite lunaire qui est contrôlée par des excitations résonantes dans les paléo-océans de la Terre. Ces résonances ont provoqué des variations importantes et relativement rapides du demi-grand axe lunaire, de la durée du jour et de l'obliquité de la Terre. Ces variations astronomiques ont pu entraîner d'importantes variations paléoclimatiques dues au chauffage de marée et aux modifications de l'insolation à la surface de la Terre. Notre solution démontre aussi la robustesse de la méthode cyclostratigraphique pour extraire les données astronomiques des séquences sédimentaires. Enfin, nous étudions l'effet des marées thermiques atmosphériques sur l'évolution du mouvement de rotation planétaire. Nous réexaminons, pour la Terre, l'hypothèse d'une stagnation de la durée du jour pendant le Précambrien, qui résulterait de la rencontre d'une résonance d'un mode de Lamb dans l'atmosphère. Nous construisons un modèle ab initio de marées thermiques décrivant le cas d'une atmosphère à stratification neutre. Le modèle prend en compte les processus dissipatifs à travers le refroidissement radiatif de l'atmosphère et la réponse thermique retardée du sol. Nous extrayons de ce modèle une solution exacte du couple de marée thermique dépendant de la fréquence de marée. Notre solution rend compte des principales caractéristiques spectrales obtenues numériquement dans des études antérieures utilisant des modèles de circulation générale 3D. En particulier, la réponse retardée du sol s'avère être responsable d'une asymétrie dans la résonance du mode de Lamb, remettant ainsi sérieusement en doute l'hypothèse d'une stagnation de la durée du jour. Enfin, bien que l'étude ait été motivée par l'histoire des marées sur Terre, les solutions développées peuvent être directement appliquées à l'étude des exoplanètes.

The long-term dynamical evolution of the Earth-Moon system is revisited. We address three distinct geophysical mechanisms pertaining to solid and fluid planetary mass redistributions affecting the system's history. First, the effect of Cenozoic glacial cycles on the Earth's figure is constrained. In the framework of glacial isostatic adjustment, and using a recently compiled proxy of global ice volume, we self-consistently solve the sea level equation. We then present a time series of the evolution of the Earth's dynamical ellipticity over the Cenozoic ice age. We map out the problem in full generality, identifying major sensitivities to possible variations in surface loading, and to uncertainties in rheological modeling and internal viscosity profiles. We match our parametric exploration with present observations of the rate of change of J2 and true polar wander measurements. We consequently provide well-constrained intervals for the relative perturbation in the dynamical ellipticity due to the Cenozoic ice age. Next, we revisit the evolution history of the Earth-Moon distance. Available geological data provide snapshots of the lunar orbital history, the earliest registered to date at ~ 3.2 Ga. However, a complete theoretical reconstruction of the lunar orbit, which traces its evolution from the present state to a post-impact nosy neighbor at ~4.5 Ga is yet to be established. Namely, previous models of this reconstruction are often empirical, or numerically costly, and are always incompatible with the well-constrained lunar age. We undertake a systematic exploration of the time-varying tidal dissipation in the Earth's oceans and solid interior to provide, for the first time, a history of the lunar orbit that fits the present measurement of its recession and the estimated lunar age. Our work extends a lineage of earlier works on the analytical treatment of fluid tides on varying bounded surfaces, further coupled with bodily solid tidal deformations. We obtain a history of the lunar orbit that is predominantly shepherded by robust resonant excitations in the Earth's paleo-oceans. These resonances caused significant and, relatively, rapid variations in the lunar semi-major axis, the Earth's length of the day, and the Earth's obliquity. Consequently, these astronomical features should have driven major paleo-climatic variations through tidal heating and the changing insolation. Our solution demonstrates the robustness of the cyclostratigraphic method in unraveling astronomical quantities from sedimentary sequences. Finally, we examine the effect of thermal tides on the evolution of planetary rotational motion. We revisit the hypothesis of a fixed Precambrian length of day for the Earth, which is contingent upon encountering a Lamb resonance in the atmosphere. We construct an ab initio model of thermal tides describing a neutrally stratified atmosphere. The model takes into account dissipative processes with Newtonian cooling and the delayed thermal response of the ground. We retrieve from this model a closed form solution for the frequency-dependent thermal tidal torque. Our solution captures the main spectral features computed numerically in earlier studies using 3D general circulation models. In particular, the delayed response of the ground proves to be responsible for an asymmetry in the Lamb resonance, thus positing serious question marks on the rotational equilibrium hypothesis. Finally, though the study was motivated by the tidal history on Earth, the solution can be straightforwardly applied in exoplanetary settings.