Analysis and high accuracy modeling of the Earth orientation
Analyse et modélisation de haute précision pour l'orientation de la Terre
Résumé
The increase of accuracy of the space and geodetic techniques giving access to the Earth orientation, as well as the improvement of the terrestrial and celestial reference systems, require, for a best scientific benefit, a more precise modelling of the Earth rotation. With this aim, the International Astronomical Union recommended, in August 2000, a new parametrization in the Earth orientation. The first part of this thesis is devoted to the implementation of these recommendations, which became effective on 1 January 2003, and to the computation of the models adapted to the new astrometric representation based on the Non-Rotating Origin. These models concern the celestial coordinates of the Celestial Intermediate Pole (CIP), and the quantity providing the position of the CEO. Such developments are based on the new precession-nutation model IAU2000A and on the recent estimates of the connexion parameters between reference frames. We present also a model for the quantity giving the displacement of the origin of the longitudes in the terrestrial frame, derived from the observed polar motion. External fluid layers (atmosphere and oceans) play a prominent part in the non-predictible part of the Earth rotation. In the second part of this thesis, we present an overall evaluation of these effects on the Earth Orientation Parameters, based on the more recent meteorological data. Besides the mean contribution of atmosphere and oceans during the time spans covered by the series, we study the temporal variability of the periodic terms and we show its strong correlation with the corresponding observed variations in the polar motion and the length of day. Estimating the excitation of nutations by fluid layers remains a delicate operation because of the lack of data in the diurnal frequency band, the small size of these effects and the strong variability of the excitation. We show also that the Atmospheric Angular Momentum is modified by the lunisolar torque giving an effect on the precession in longitude and on the 18.6-year nutation. In the framework of the recent implementation of the IAU2000A precession-nutation model, it has become necessary to compute all the effects of which amplitudes are of the order of tens of microarcseconds. One of these effects is the coupling between the variations in the Earth's rotation rate due to zonal tides and the precession-nutation. These variations are taken into account in the computation of the Universal Time (UT1) and are modeled. Their effect on nutation has recently been evaluated by different approaches with disparete results. In the third part of this thesis, we investigate the differences and we determine an exhaustive model for a real Earth allowing to correct the nutation angle. The major effect is on the 18.6-year nutation and on the precession in longitude.
L'accroissement de la précision des techniques de géodésie spatiale et d'astrométrie globale donnant accès à l'orientation terrestre et l'amélioration des systèmes de référence céleste et terrestre requièrent, pour un meilleur profit scientifique, de réaliser une modéli-sation plus précise de la rotation de la Terre. Dans ce but, l'Union Astronomique Internationale a recommandé en août 2000 une paramétrisation plus fine de la rotation terrestre. La première partie de cette thèse est consacrée à la mise en oeuvre des recommandations, dont l'entrée en vigueur était le 1er janvier 2003 et au calcul des modèles adaptés à la nouvelle représentation astrométrique basée sur l'Origine Non-Tournante~: coordonnées célestes du pôle intermédiaire (CIP) et quantité donnant la position de l'Origine Non-Tournante dans le repère céleste (CEO). Les calculs sont basés sur le nouveau modèle de précession-nutation IAU2000A et sur les récentes estimations des paramètres de raccordement des repères de référence (Capitaine, Chapront, Lambert & Wallace 2003, A&A). Une première modélisation de la quantité $s'$ donnant le déplacement de l'origine des longitudes dans le repère terrestre est également réalisée à partir du mouvement du pôle observé (Lambert & Bizouard 2002, A&A). Les couches fluides externes (atmosphère et océans) jouent un rôle majeur dans la partie non-prédictible de la rotation de la terre. Dans la seconde partie de cette thèse, un bilan de ces effets sur les paramètres d'orientation de la Terre est réalisé à partir des données météorologiques les plus récentes. Outre la contribution moyenne de l'atmosphère et de l'océan sur les périodes de temps couvertes par les séries, nous avons étudié la variabilité temporelle de l'excitation périodique et nous montrons sa forte corrélation avec les variations des amplitudes observées dans le mouvement du pôle et la longueur du jour. L'excitation des nutations par les couches fluides reste délicate à estimer en raison de la qualité médiocre des données météorologiques dans le domaine diurne, de l'ordre de grandeur très faible de ces effets et de la forte variabilité de l'excitation. Nous montrons aussi que le moment cinétique de l'atmosphère est affecté par le moment de force lunisolaire, donnant un effet sur la précession de la Terre solide dont la valeur est supérieure à la précision des observations actuelles (Bizouard & Lambert 2001, P&SS). Dans le cadre de l'implémentation du modèle de précession-nutation IAU2000A, il est devenu nécessaire de considérer tous les effets sur l'orientation terrestre dont les amplitudes atteignent quelques dizaines de microsecondes d'arc. Parmi eux, il y a ceux provoqués sur les nutations par les variations de l'ellipticité dynamique de la Terre. Ces dernières induisent, par conservation du moment cinétique de la Terre solide, des changements dans la vitesse de rotation et sont déjà prises en compte dans le Temps Universel (UT1). Elles sont modélisées pour des modèles de Terre plus ou moins raffinés. L'effet de telles variations sur les nutations a été évalué plus récemment sous plusieurs approches présentant des résultats disparates. Dans la troisième partie de cette thèse, nous élucidons les différences et nous déterminons un modèle exhaustif pour une Terre réelle permettant de corriger les angles de nutation (Lambert & Capitaine 2004, A&A).