CE31 - Physique subatomique, sciences de l'Univers, structure et histoire de la Terre

Solution astronomique pour le Mésozoïque – AstroMeso

Solution astronomique pour le Mésozoïque

Le projet AstroMeso vise à dépasser l'horizon de prévisibilité de 60 Ma pour le système solaire, et à fournir la base d'une solution astronomique sur l'ensemble du Mésozoïque. Cela ne sera possible qu'en utilisant l'enregistrement géologique en input, afin de contraindre la solution orbitale. Cela ouvrira une nouvelle ère où le Les archives géologiques seront utilisées pour retrouver l'évolution orbitale du système solaire.

Obtention d'une solution orbitale pour le système solaire au-delà de 60 Ma.

Selon la théorie de Milankovitch (Milankovitch, 1941), certains des grands changements climatiques du passé trouvent leur origine dans les variations de l'orbite de la Terre et de son axe de rotation résultant de l'attraction gravitationnelle des autres planètes. Ces variations peuvent être retracées sur plusieurs millions d'années (Ma) dans les archives géologiques sédimentaires, bien que les mécanismes qui transfèrent le forçage de l'insolation aux variations sédimentaires ne soient pas connus avec précision. Après les travaux pionniers de Hays et al (1976), un gros effort de la communauté stratigraphique a été consacré à la recherche de cette empreinte astronomique. Au cours des trois dernières décennies, les solutions orbitales et de spin de la Terre élaborées par le PI et son groupe (Laskar et al, 1993, 2004, 2011a) ont été utilisées dans un effort de collaboration qui a permis d'établir une échelle de temps géologique basée sur la solution astronomique pour le Néogène (0-23 Ma) (Lourens et al, 2004 ; Hilgen et al, 2012). Néanmoins, étendre cette procédure à travers l'ère mésozoïque (66-250 Ma) est difficile, car le mouvement du système solaire est chaotique (Laskar, 1989, 1990). Il ne sera donc pas possible de retrouver le mouvement orbital précis des planètes au-delà de 60 Ma à partir de leur état actuel (Laskar et al, 2011b).

Ce projet multidisciplinaire met en œuvre différentes approches.

- Nous recherchons à obtenir la solution la plus précise possible pour le mouvement du système solaire. Pour cela nous avons mis au point un modèle extrêmement précis, INPOP, qui est ajusté à l'ensemble des données disponibles, aussi bien au sol que spatiales. Les contraintes les plus spectaculaires sont obtenues grâces aux missions spatiales. Lorsqu'une sonde orbite autour d'une planète les données radio permettent d'obtenir des distances Terre-planète avec une précision de quelques mètres. La sonde Cassini a fourni des données précises de la position de Saturne. Actuellement, la sonde Juno, qui orbite autour de Jupiter depuis 2016 permet d'obtenir la distance Terre-Jupiter avec une précision inégalée de quelques mètres. Cette solution INPOP sert à l'établissement des éphémérides planétaires pour les besoins de l'astronomie, et à la réduction des données des sondes spatiales lorsqu'une grande précision est nécessaire, en particulier pour la mission Gaia de l'ESA. La solution INPOP est ensuite prolongée sur 1 à 10 Ma, ce qui sert de point de départ pour les solutions à long termes qui sont ensuite intégrées sur des durées très longues, jusqu'à 250 Ma et plus.

Il en suffit cependant pas de prolonger une solution sur 250 Ma pour obtenir l'évolution du système solaire sur cette durée. En effet, le mouvement des planètes est chaotique ( Laskar, 1989, 1990), et il ne sera pas possible d'obtenir une solution au-delà de 60 Ma en partant des seules conditions initiales fournies par els observations présentes. Au-delà de 60 Ma, deux approches vont être mises en œuvre :

- Une approche statistique sur un très grand nombre de solutions orbitales, toutes compatibles avec les meilleures données d'observation récentes des planètes.

- Une recherche parmi ces solutions ce celles qui sont compatibles avec les données géologiques déjà récoltées ou que l'on va récolter dans le cadre de Astromeso.

Publication et mise en ligne de la nouvelle éphéméride planétaire INPOP20a construite sur la base des nouvelles données Juno, Mars Express. De nouvelles positions d’Uranus et Neptune recalibrées sur la GAIA DR3 ont été ajoutées.

Obtention des variations du delta13C autour de la limite Cénomanien-Turonien du forage CRAIE 700 de Poigny dans le bassin de Paris (Boulila et al., Gl. Planet. Ch., 2020). La haute résolution de 2 ka permet de mettre en évidence le rôle de la précession et de la courte excentricité dans les variations du delta13C au cours de l’OAE2

Analyse statistique de la diffusion chaotique du système solaire. Obtention des densité de probabilité et de leur incertitude pour les fréquences fondamentales du système solaire qui sont les indicateurs fondamentaux que l'on retrouve dans les séries sédimentaires.

Analyse détaillée de la déformation de la Terre sous l'effet des masses de glace au cours des 50 Ma les plus récents. Cet élément est une composante de l'obtention d'une solution précise pour le calcul de l'orientation de l'axe de la Terre dans le passé.

Calcul d'une nouvelle solution à long terme de référence basée sur INPOP20a, incluant les déformation de la Terre, les effets de marées dans le système Terre-Lune et la perte de masse du soleil.

Analyse statistiques de multiples variations autour de cette solution de référence.

Analyse des données de diagraphie des forage du Bassin parisien et des données récoltées dans le Bassin Vocontien pour obtenir une contrainte sur les mouvements planétaires.

1. Boulila, S., Brange, C., Cruz, A.M., Laskar, J., Gorini, C., Reis, T.D., Silva, C.G., 2020. Astronomical pacing of Late Cretaceous third- and second-order sea-level sequences in the Foz do Amazonas Basin. Marine and Petroleum Geology 117, 104382.
2. A. Di Ruscio, A. Fienga, D. Durante, L. Iess, J. Laskar, and M. Gastineau. Analysis of Cassini radio tracking data for the construction of INPOP19a: A new estimate of the Kuiper belt mass. A&A, 640:A7, August 2020.
3. A. Fienga, A. Di Ruscio, L. Bernus, P. Deram, D. Durante, J. Laskar, and
L. Iess. New constraints on the location of P9 obtained with the INPOP19a planetary ephemeris. A&A, 640:A6, August 2020.
4. Hilgen, F., Zeeden, C., & Laskar, J. (2020). Paleoclimate records reveal elusive ~200-kyr eccentricity cycle for the first time. Global and Planetary Change, 103296. doi:10.1016/j.gloplacha.2020.103296
5. Boulila, S., Charbonnier, G., Spangenberg, J.E., Gardin, S., Galbrun, B., Briard, J., Le Callonnec, L., 2020. Unraveling short- and long-term carbon cycle variations during the Oceanic Anoxic Event 2 from the Paris Basin Chalk. Global and Planetary Change 186, 103126.
6. Galbrun, B., Boulila, S., Krystyn, L., Richoz, S., Gardin, S., Bartolini, A., Maslo, M., 2020. « Short » or « long » Rhaetian? Astronomical calibration of Austrian key sections. Global and Planetary Change, doi.org/10.1016/j.gloplacha.2020.103253.
7. M. Farhat, J. Laskar, G. Boué, 2021 : Constraining the Earth's Dynamical Ellipticity from Ice Age Dynamics, submitted, arXiv preprint arXiv:2103.14682
8. F Mogavero, J Laskar, 2021, Long-term dynamics of the solar system inner planets, A&A, in press, arXiv preprint arXiv:2105.14976
9. NH Hoang, F Mogavero, J Laskar, 2021, Chaotic diffusion of the fundamental frequencies in the Solar System, A&A, in press, arXiv preprint arXiv:2106.00584

10. Laskar, J. 2020, Astrochronology, in Geologic Time Scale 2020, Gradstein et al, eds, (Elsevier), 139–158

Selon la théorie de Milankovitch (1941), certains des grands changements climatiques du passé trouvent leur origine dans les variations de l’orbite terrestre et de son axe de rotation résultant de l’attraction gravitationnelle des autres planètes. Ces variations peuvent être retracées sur plusieurs millions d'années (Ma) dans les enregistrements sédimentaires géologiques, bien que les mécanismes qui transfèrent l'insolation aux variations sédimentaires ne soient pas connus avec précision. Après le travail pionnier de Hays et al. (1976), un effort important de la communauté stratigraphique a été consacré à la recherche de cette empreinte astronomique. Au cours des trois dernières décennies, les solutions orbitales et de rotation de la Terre élaborées par le PI et son groupe (Laskar et al, 1993, 2004, 2011a) ont été utilisées dans le cadre d’un effort de collaboration qui a permis d’établir une échelle de temps géologique pour le Néogène (0-23Ma) basée sur la solution astronomique (Lourens et al, 2004; Hilgen et al, 2012). Néanmoins, il est difficile d'étendre cette procédure à l’ère mésozoïque (66-252 Ma) car le mouvement du système solaire est chaotique (Laskar, 1989, 1990). Il ne sera donc pas possible de retracer le mouvement orbital des planètes au-delà de 60 Ma à partir de leur état actuel (Laskar et al, 2011b).

Pendant trois décennies, les géologues ont utilisé les solutions orbitales astronomiques élaborées par le PI pour établir des échelles de temps locales ou globales. Ce projet est spécifiquement conçu pour obtenir l’opposé. Nous utiliserons les données géologiques comme input pour aller au-delà de l'horizon de prédictibilité de 60Ma qui résulte de la nature chaotique du mouvement orbital des planètes. Cela se fera de manière quantitative et visera à fournir une solution orbitale pour la Terre qui pourra être utilisé pour des études paléoclimatiques du Mésozoïque. Nous assistons ici à une ère nouvelle où les archives géologiques seront effectivement utilisées pour retracer l'évolution orbitale du système solaire.


Ce projet découle des travaux de Olsen et al (2019) où, pour la première fois, dans une étude impliquant le PI, il est possible de retrouver avec précision les fréquences du mouvement de précession des planètes intérieures (http://www.cnrs.fr/fr/quand-la-geologie-revele-les-secrets-du-systeme-solaire-passe). En même temps, plusieurs études portant sur de très longs enregistrements sédimentaires sont parues (Ma et al, 2017, 2019). Les objectifs dont beaucoup rêvaient depuis vingt ans sont donc maintenant à portée de main. AstroMeso souhaite franchir une étape supplémentaire en rassemblant une équipe composée de leaders mondiaux de la mécanique céleste et des mouvements planétaires et de l'analyse cyclostratigraphique des longs enregistrements sédimentaires. AstroMeso financera deux postdoctorants. L’un en astronomie pour la recherche d’une solution optimale d’orbite et d’insolation pour la Terre, et l’autre en géologie, qui collectera et analysera les meilleurs enregistrements disponibles. Les deux collaboreront étroitement avec les équipes du projet, en maintenant une forte interaction entre astronomie et géologie tout au long du projet. Ce projet interdisciplinaire, forcément interdisciplinaire, entre géologie et astronomie, cherchant à retracer l’histoire de la Terre et du système solaire à travers les enregistrements géologiques, cadre parfaitement avec la volonté de l’INSU-CNRS de développer la transversalité autour de questions fondamentales.

Coordinateur du projet

Monsieur Jacques Laskar (Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Éphémérides, Observatoire de Paris)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Géoazur Géoazur
LDEO Columbia University / Lamont-Doherty Earth Observatory
UUFG Utrecht University / Faculty of Geosciences
ISTEP Institut des sciences de la Terre Paris
LIAG Leibniz Institute for Applied Geophysics
CSH University of Bern Center for Space and Habitability
IMCCE Institut de Mécanique Céleste et de Calcul des Éphémérides, Observatoire de Paris

Aide de l'ANR 494 274 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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