Les systèmes du temps

Le temps sidéral, le temps solaire

Il y a deux manières de mesurer la rotation de la Terre: on peut soit mesurer le temps qui s'écoule entre deux passages d'une même étoile au méridien d'un lieu; c'est le temps sidéral. L'autre est de mesurer le temps qui s'écoule entre deux passages -de midi à midi- du Soleil à ce méridien; c'est le temps solaire. Le temps sidéral, techniquement, se réfère à l'équinoxe vernal puisque, du fait de l'orbite de la Terre, on ne peut pas voir une même étoile, de nuit, tout au long de l'année. L'équinoxe vernal est l'un des points ou l'écliptique -le plan dans lequel orbitent la plupart des planètes du système solaire, projeté, en perspective sur la sphère céleste- coupe l'équateur céleste -qui est, lui, l'équateur terrestre projeté sur la sphère céleste. L'équinoxe vernal est là où le Soleil se trouve le jour de l'équinoxe de printemps. L'équinoxe vernal, dans le système de coordonnées équatoriales, est le point d'où sont mesurés une part des coordonnées des étoiles; aussi, le temps sidéral est également appelé l'"angle horaire de l'équinoxe vernal": le temps sidéral est déduit du passage des étoiles au méridien; et la position de toute étoile peut se rapporter à l'équinoxe vernal. Un jour sidéral dure 23 heures 56 minutes et 4,0905 secondes

Le temps solaire permet de définir un jour solaire, lequel varie de ± 15 mn par rapport au temps sidéral. Cela est dû au fait que, en un jour -le temps entre deux mesures- la Terre s'est déplacée sur son orbite. Le Soleil, aussi, au moment où; on va le re-mesurer au méridien, se trouve, en fait, plus à l'Est. Pour qu'il soit vu au méridien, il faut que la Terre tourne pendant 4 minutes de plus (soit 1° sur le ciel)! Cette différence de 4 minutes, par ailleurs, n'est pas stable au long de l'année: la Terre, sur son orbite, se déplace plus vite lorsqu'elle est vers le point de son orbite le plus près du Soleil -le périhélie- et plus lentement lorsqu'elle est vers le point de son orbite le plus éloigné du Soleil -l'aphélie. Aux équinoxes, de plus, l'écliptique -le chemin apparent des planètes et du Soleil sur le fond de la sphère céleste- fait un angle avec l'équateur céleste, amenant à ce que le mouvement du Soleil apparaît plus rapide qu'au moment des solstices. Ce sont, par exemple, les cadrans solaires qui donnent ce temps solaire -que l'on appelle le "temps solaire vrai"- et c'est pourquoi ils présentent une ligne en boucle, qui permet de prendre en compte les variations du mouvement du Soleil au long de l'année. Le "temps solaire moyen" a été conçu pour éviter les distorsions du temps solaire vrai. Le temps solaire moyen se fonde sur une vitesse constante du Soleil au long de la sphère céleste. La différence entre le temps solaire moyen et le temps solaire vrai s'appelle l'"équation du temps". Cette conception du temps solaire amène comme conséquence deux décalages assymétriques des levers et des couchers de Soleil au moment du solstice d'hiver et de la durée du matin et de l'après-midi aux équinoxes. Le coucher de Soleil le plus précoce se situe ainsi 11 jours avant le solstice d'hiver et le lever de Soleil le plus tardif vers 10 jours après. plus de détails sur le tutoriel "Jour et nuit aux solstices et équinoxes". De façon à ce qu'il soit mesuré de façon précise le temps solaire, enfin, se mesure également en termes d'angle horaire par rapport à l'équinoxe vernal. La longueur du jour, d'une façon générale varie aussi, au long d'une année, d'aux alentours d'1 milliseconde. Le jour s'allonge en hiver et se raccourcit en été. Ces changements saisonniers viennent des échanges d'énergie entre la Terre, en tant qu'elle est un solide et les mouvements des fluides tels que les vents, la pression atmosphériques et les océans. La longueur du jour varie aussi sur des échelles plus longues. Un mode de variation long, variant de 65 à 80 ans a ainsi été observé, qui fait varier la longueur du jour de 4 millisecondes. Ces rythmes sont à relier au mouvement du fer liquide au sein du noyau extérieur de la Terre, là où le champ magnétique prend sa source. Le fluide, ainsi, interagit avec le manteau et affecte la rotation de notre planète. On a constaté que le flux du fer liquide oscille selon des vagues qui durent des décennies, ces échelles de temps correspondant nettement aux variations longues de la durée du jour

Les systèmes de temps

Plusieurs systèmes de temps s'utilisent en astronomie

-> -Le Temps Universel TU: fuseaux horaires et temps astronomique de base
-Le Temps Universel Coordonné (TUC): le temps civil
-Le temps dynamique (TDT, TDB): les éphémérides
-Le temps sidéral: les éphémérides
-Le système de temps du système GPS
-Le temps atomique (TAI): les travaux scientifiques

Le Temps Universel TU: fuseaux horaires et temps astronomique de base

Le "Temps Universel" -"TU"- est un temps astronomique. Cela signifie que le temps TU est défini par référence aux évènements célestes. Le temps TU, d'une part, a remplacé, vers 1926, le système GMT de 1884 -qui définissait un système international de temps fondé sur des fuseaux horaires et le méridien de Greenwich (plus de détails sur le tutoriel "Mesure du temps: le temps"). Depuis cette époque le temps TU est utilisé pour le système des fuseaux horaires. Le temps TU, d'autre part, est le temps astronomique de base. C'est, par exemple, le système de temps dans lequel sont donnés la plupart des évènements de l'astronomie amateur. Les astronomes utilisent le temps TU parce qu'il est synchrone avec la rotation de la Terre. On utilise, en astronomie, le temps TU lorsque l'on a besoin d'une précision de vers 1 seconde. Astronomiquement parlant, le temps TU est, en fait, un temps sidéral qui, par le biais d'une formule mathématique, en temps solaire. D'où que le temps TU peut être défini le "temps solaire moyen" pour le méridien de Greenwich. Plus techniquement encore, le passage du temps sidéral au temps TU, génère, d'abord, un temps "TU0". Ce temps, à son tour corrigé de la précession de l'axe de la Terre, donne un temps "TU1". C'est ce temps TU1 qui sert pour le système des fuseaux horaires, et pour les besoins de l'astronomie. Une correction supplémentaire -des irrégularités de la rotation de la Terre- produit le temps "TU2". TU2 a peu d'applications pratiques en astronomie. Pour ce qui est de la terminologie, le Temps Universel se désigne "Temps Universel", "TU" ou "Z". "Z" est essentiellement utilisé par l'armée et les services météorologiques. Les deux premiers termes sont surtout utilisés dans la communauté astronomique. Le temps TU est à un format de 24h -semblable à celui du temps usuel- ce qui le rend original par rapport aux systèmes anglo-saxon qui, au quotidien, ne pratiquent pas ce format mais le format "a.m./p.m." ("ante meridiem", "post meridiem") qui n'utilise que le format 1 à 12 (exemple, les anglo-saxons, pour 13h 14, diront 1:14 p.m. (c'est-à-dire 1h 14 après midi). Cette heure, en temps TU, sera aussi au format "13h 14". Pour exprimer cette heure en termes complets, dans l'univers francophone, on dira: "13h 14 TU". Dans le monde anglo-saxon, on trouvera les formulations suivantes: "14:42 UT" ou "14:42 Universal Time" (le format est heure,deux points, minutes, avec la qualification UT ou Universal Time). Dans les utilisations militaires ou les bulletins météo voire certaines utilisations astronomiques avancées, le format, dans le monde anglo-saxon sera: 1442Z ou 1442UT (heure, minutes sans deux points et Z ou UT sans espace)

Le Temps Universel Coordonné (TUC): le temps civil

L'évolution de la technologie en matière d'horloges a mené, après la Seconde Guerre Mondiale, aux horloges atomiques. Les horloges atomiques fonctionnent sur le principe de la fréquence des ondes électro-magnétiques émises ou absorbées par un atome de Césium 133. Elles conservent le temps à un degré de précision extrême. Ces nouvelles horloges ont ainsi amené la définition de la "seconde SI", la seconde du Système International d'Unités et cette seconde SI, la seconde du temps atomique, a donné naissance au "Temps Coordonné Universel", "TUC". Le temps TUC est devenu le système internationale pour l'heure civile; c'est l'heure que l'on a à sa montre ou qui est donnée par les horloges parlantes. Le temps TUC n'a plus de références astronomiques. Mais, comme la rotation de la Terre ne possède pas cette précision des horloges atomiques, on doit maintenir la synchronisation entre temps TUC (sans référence astronomiques) et temps TU (plus précisément TU1, temps solaire). Le temps TUC ne doit pas s'écarter du temps TU1 de plus de 0,9 secondes. La synchronisation se fait par l'ajout -ou le retrait- au temps TUC d'une seconde intercalaire ("leap second"), positive ou négative. En matière de terminologie, une tendance naturelle peut être de parler de "temps UTC", par une forme de similitude d'avec TU. La forme correcte, en français, doit être "temps TUC". Depuis 1972, lorsque la seconde intercalaire a été mise en place, jusqu'en 1999, des secondes intercalaires avaient été ajoutées presque chaque année. Depuis 1999, elles sont devenues moins fréquentes. La seconde intercalaire de juin 2015 aura été la quatrième seulement depuis l'an 2000 (avant 1972, les ajustements se faisaient différemment). On ne sait pas exactement pourquoi on a moins utilisé de secondes intercalaires: alors que l'explication globale est sans doute complexe, on sait que des évènements géologiques (tremblements de terre, éruptions volcaniques) peuvent affecter la rotation de la Terre sur le court terme

Le temps dynamique (TDT, TDB): les éphémérides

Le "temps dynamique" ("Dynamical Time", en anglais) a été créé en 1977 par l'Union Astronomique Internationale dans le but de fournir, pour les calculs des éphémérides et pour pouvoir prédire des évènements à haut degré de précision (ainsi les pulsars), un système de temps plus précis. Les éphémérides, en effet, jusque là, utilisaient déjà un temps spécifique, le "temps des éphémérides" ("Ephemerides Time", "ET"), qui permettait une plus grande précision que l'emploi du temps GMT puis TU. Ce temps ET était déjà, techniquement, un temps "dynamique" en ce sens qu'il utilisait une loi dynamique des mouvements (ainsi la loi des forces de Newton). Une étude plus approfondie de la position réelle des objets célestes dont les éphémérides prédisaient la position amena, de plus, à une définition encore améliorée du temps ET. ET utilisait une définition de la seconde fondée sur l'année 1900. Les nouveaux temps dynamiques -"TDT", "TDB"- eux, utilisent pour base la seconde SI du temps atomique et ils prennent aussi en compte les phénomènes dynamiques qui résultent de la Théorie de la Relativité. "TT" ou "TDT" est le "Terrestrial Time" ("Temps Terrestre") ou le "Terrestrial Dynamic Time" ("Temps dynamique terrestre"). Il sert de base pour l'élaboration des éphémérides de type géocentrique. "TDB" est le "Barycentric Dynamical Time" ("Temps dynamique barycentrique") qui, lui est utilisé pour les éphémérides qui se réfèrent au "barycentre" du système solaire, c'est-à-dire le centre de gravité du système solaire. TDB est calculé à partir de TDT. D'autres temps dynamiques plus avancés ont été définis en 1991; ils sont en rapport avec des applications et des calculs liés à la Théorie de la Relativité. Ce sont le "Terrestrial Time" ("TT") -qui équivant au TDT, le Temps Coordonné Géocentrique (TCG, "Time Coordinated Geocentric") et le "Temps Coordonné Barycentrique" (TCB, "Time Coordinated Barycentric")

Du fait des marées gravitationnelles diverses qui affectent le système solaire et d'autres causes, la vitesse de rotation de la Terre décroît. Il décroît de 0,002 seconces par siècle. Ainsi, à l'époque des dinosaures le jour était plus court de 2 heures qu'aujourd'hui. Même infime, cette diminution empêche, là encore, la rotation de la Terre d'être parfaite. Aussi, lorsque des éphémérides sont donnés en temps TDT (ainsi les temps concernant les éclipses de Soleil), cette différence doit être prise en compte lorsqu'on convertit le temps TDT en temps TU. La différence entre le temps TDT et le temps TU s'appelle "delta-T". Elle est habituellement intégrée dans les logiciels d'astronomie amateur. Du fait des données anciennes dont on dispose en matière d'astronomie, delta-T est connu pour les temps anciens. Les valeurs de delta-T sont trouvables sur la page http://www.eclipsewise.com/help/deltat.html de Fred Espenak; ce site donne aussi les valeurs de delta-T pour les années récentes. Les valeurs à venir de delta-T, elles, ne peuvent être qu'extrapolées

Le temps sidéral: les éphémérides

Le temps sidéral est toujours utilisé car il est fiable. Chaque nuit, on mesurera précisément le passage d'une étoile au méridien de l'observateur, ou en relation avec celui-ci. Le temps sidéral est utilisé pour quelques éphémérides astronomiques. Le "U.S. Naval Observatory" (une institution de la Marine américaine spécialisée dans les calculs astronomiques) calcule aussi le temps solaire moyen à partir du temps sidéral moyen

Le système de temps du système GPS

Les horloges du système GPS, tant celles se trouvant à bord des satellites que celles basées sur Terre -elles sont toutes atomiques- ont commencé à compter le temps GPS avec un décalage de 19 secondes par rapport au temps TUC. Cela fut dû au fait que, quand le système GPS fut mis en oeuvre, le 6 janvier 1980, c'était le décalage qui existait entre le temps TAI (le temps atomique de la seconde SI) et le temps TUC. Les récepteurs GPS, lorsqu'ils reçoivent les signaux des satellites, prennent tout simplement en compte ce décalage, auquel ils ajoutent le décalage actuel, ce qui donne un temps TUC

Le temps atomique (TAI): les travaux scientifiques

La seconde SI fournie par les horloges atomiques donne la définition du temps "TAI" (abréviation des termes français, pour une fois: "Temps Atomique International"). Le temps TAI n'est utilisé que pour les travaux scientifiques de haute précision