De même que l'axe d'une toupie qui tourne décrit un cône sous l'action de la pesanteur, l'axe de rotation de la Terre décrit, en 25 800 ans environ, sous l'action des forces d'attraction de la Lune et du Soleil, un cône dont le demi-angle au sommet est de 230 26′. C'est le phénomène général de la précession. Ainsi, la direction du pôle Nord céleste, actuellement voisine de celle de l'étoile Polaire, en était éloignée de 90 il y a 2 000 ans. Elle sera proche de celle de l'étoile Véga dans 11 000 ans.
Le plan de l'équateur, perpendiculaire à l'axe de la Terre, tourne aussi, de même que l'équinoxe de printemps (ou point γ), intersection de ce plan avec l'écliptique. Cette direction servant d'origine aux systèmes de coordonnées stellaires, les coordonnées des astres fixes varient elles aussi avec le temps. Ce phénomène a été mis en évidence par Hipparque au iie siècle avant J.-C., découverte complétée par celles du mouvement de l'écliptique (xviie siècle) et de la nutation de Bradley (xviiie siècle).
On décompose ce mouvement complexe en deux parties : la précession proprement dite, mouvement continu et actuellement légèrement accéléré de l'axe de la Terre sur un cône de révolution, et la nutation, mouvement multipériodique faisant décrire à cet axe des festons autour du cône.
1. Calcul de la précession
Les forces d'attraction gravitationnelle du Soleil, de la Lune et des planètes qui s'exercent sur toutes les particules constituant la Terre se décomposent ainsi :
– une force appliquée au centre de gravité de la Terre, qui engendre le mouvement de cette planète dans le système solaire (les forces d'origine planétaire provoquent en particulier le mouvement de l'écliptique) ;
– les forces s'exerçant de façon différentielle sur des particules qui ne sont pas rigidement liées produisent des déformations du globe (marées terrestres ou océaniques) ou des mouvements des pôles sur notre planète ;
– un couple qui crée la précession, la nutation et qui est partiellement responsable du mouvement des pôles ; les composantes de ce couple perturbateur dépendent des positions relatives de la Terre, de la Lune et du Sol […]
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