L'orientation de la Terre dans l'espace est la rotation qu'il faut appliquer à un système de référence céleste géocentrique, soit GXYZ - matérialisé par les coordonnées des étoiles ou des quasars ou des corps du système solaire - pour obtenir un système de référence terrestre Gxyz - matérialisé par les coordonnées des stations d'observation.

La description traditionnelle de l'orientation spatiale de la Terre consiste à spécifier la matrice de rotation entre ces deux systèmes de référence.

Si la Terre tournait uniformément autour d'un axe fixe (par rapport à la croûte terrestre et au système céleste), les changements de l'orientation de la Terre pourraient être décrits à l'aide d'un seul paramètre : l'angle de rotation évoluant linéairement avec le temps, ou encore l'échelle de temps uniforme qui en découlerait (le temps universel).

 

En fait l'axe de rotation n'est fixe ni par rapport à la croûte terrestre ni par rapport aux étoiles, et la vitesse de rotation montre de légères variations. Les changements du vecteur de rotation de la Terre sont causés par la force gravitationnelle de la Lune, du Soleil, dans une moindre des planètes sur le bourrelet équatorial de la Terre, ainsi que par les déplacements de matière dans les différentes parties de notre planète. Les oscillations observées peuvent être interprétées comme l'effet de l'élasticité du manteau, de l'aplatissement de la Terre, de la structure et des propriétés de la frontière entre le noyau et le manteau, de la rhéologie du noyau, des eaux souterraines, des fluctuations au sein des océans et de l'atmosphère. La compréhension du couplage entre les différentes couches de notre planète est un point clef de cette recherche.

 

En principe l'orientation de la Terre peut-être décrite à l'aide de trois angles indépendants, par exemple les angles d'Euler. Cependant la détermination traditionnelle de la rotation de la Terre conduit à séparer les mouvements de l'axe de rotation dans la Terre et dans l'espace. Pour des déterminations routinières de l'orientation spatiale de la Terre, cinq Paramètres d'Orientation de la Terre (POT) sont généralement estimés. Ils donnent la rotation du Repère terrestre international (International Terrestrial Reference Frame ou ITRF) au Repère céleste international (International Celestial Reference Frame, ICRF) comme une fonction du temps.

 

Ces paramètres sont rapportés au pôle céleste des éphémérides (Celestial Ephemeris Pole ou CEP), qui reste très proche de l'axe de rotation (à 20 millisecondes de degré près). Son mouvement dans l'espace est la précession-nutation ; en fait il est équivalent à celui de l'axe des pôles géographiques (pôle ITRF) pourvu qu'on restreigne ce dernier à des périodes supérieures à deux jours environ. La position dans l'espace du CEP est bien modélisée, avec une précision de 0.001", par le moment de force luni-solaire (et dans une bien moindre mesure planétaire) sur le bulbe équatorial de la Terre et de petits effets atmosphériques et océaniques de l'ordre de 0.001".

 

Les écarts au pôle céleste (dPsi, dEps)

Cependant les modèles de precession-nutation (tel que celui qui est donné dans les Conventions de l'IERS) ne prend pas en compte les perturbations variables provoquées par l'atmosphère, les océans et des processus interne à la Terre. Les imperfections des modèles sont révélées par les observations VLBI et parfois laser-lune. Les écarts du pôle céleste des éphémérides par rapport au pôle céleste défini par le modèle conventionnel de la précession-nutation (modèle IAU 1980 jusqu'au 1er janvier 2003) sont déterminés sous la forme de deux corrections angulaires, les écarts au pôle céleste (dPsi, dEps).

Le CEP reste proche de l'axe instantané de rotation (écart inférieur à 0.02"), et c'est pourquoi l'angle de rotation est compté autour du CEP à partir d'une origine dans le plan de l'équateur vrai (l'origine "non-tournante").
La rotation de la Terre n'est plus considérée comme uniforme, mais demeure essentielle pour la vie de tous les jours, car l'alternance des jours et des nuits rythme nos activités. Dans un passé récent, le temps de référence était fondé sur l'observation de la rotation diurne. L'IERS n'a pas voulu rompre avec cette tradition, et c'est pourquoi plutôt que de fournir l'angle de rotation de la Terre, l'IERS diffuse l'échelle de temps associée, le temps universel 1 UT1. C'est le temps que mettrait la Terre à décrire son angle de rotation s'elle tournait à la vitesse uniforme (360°/86164.09891s). En fait, l'IERS diffuse les différences par rapport aux échelles de temps uniforme TAI (Temps Atomique International) et UTC (Temps Universel Coordonné) : UT1-TAI / UT1-UTC. L'excès de la période de rotation par rapport à la période moyenne est appelé excès de la longueur du jour (LOD).

 

Après avoir appliqué la matrice de precession-nutation au repère céleste en tenant compte des écarts au pôle céleste et la matrice de rotation autour du CEP, il reste une rotation de l'ordre d'un dixième de seconde de degré pour passer dans le repère terrestre international. Cette rotation est décrite par deux angles (x,y), qui correspondent exactement aux coordonées du pôle (x,-y) du CEP. Les coordonnées du pôle subissent des variations principalement à cause des redistributions de masse atmosphérique et océanique à des échelles de temps saisonnières. Dans le repère céleste, les coordonnées du pôle correspondent principalement à des mouvements circulaires quasi-diurnes de l'axe des pôles géographiques Gz et se produisant dans le sens direct.

N.B.: l'axe x du repère céleste se trouve dans la direction du méridien de référence de l'IERS (le méridien de Greenwhich) ; l'axe y est dans la direction 90 degrés Est.

En fait la définition originelle du CEP, fondé sur un modèle conventionnel de la précession-nutation, ne prend pas en considération les variations diurnes et à plus grandes fréquences de l'orientation de la Terre. Durant la 24ème assemblée générale de l'Union Astronomique Internationale (UAI), qui s'est tenue à Manchester en août 2000, le concept du pôle céleste des éphémérides a été étendu à ces oscillations, ce qui a conduit à définir le pôle céleste intermédiaire ou PCI (Celestial Intermediate Pole,CIP).

extrait de la résolution B1. 7

"La 24ème assemblée générale de l'Union Astronomique Internationale [...] recommande [...] que

1. le Pôle céleste intermédiaire (CIP) soit le pôle dont le mouvement dans le système de référence céleste géocentrique (GCRS)[...] correspond à celui de l'axe moyen de Tisserand de la Terre limité aux composantes de périodes supérieures à 2 jours,

[...]

3. que le mouvement du CIP dans le GCRS soit réalisé par le modèle IAU 2000 A de la précession et de la nutation forcée pour les périodes supérieures à deux jours corrigée des corrections additionnelles dépendant du temps fournies par le Service international de la rotation terrestre (IERS) à partir des observations astro-géodésiques appropriées,

4. que le mouvement du CIP dans le Système de référence terrestre international soit fourni par l'IERS à partir d'observations astro-géodésiques appropriées et des modèles incluant des variations à haute fréquence,

[..]

6. que la mise en oeuvre du CIP ait lieu le 1er janvier 2003"

La mise en oeuvre du CIP ne modifiera pas la nature des EOP, mais apportera seulement deux nouvelles contraintes:

-Les écarts au pôle céleste seront rapportés au nouveau modèle de la précession-nutation de l'IAU (au lieu du modèle IAU 1980)
-Les écarts au pôle céleste ne contiendront pas d'oscillations diurnes et de périodes inférieures (cela est déjà réalisé dans la pratique)