7. Le soleil a rendez - vous ...
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Le Soleil sur la sphère céleste
Mouvement diurne et déplacement propre
Comme nous avons eu l’occasion de le constater dans les paragraphes précédents, les étoiles qui forment une constellation du zodiaque ne se singularisent pas, elles sont fixes sur la sphère mais suivent sa rotation et se déplacent avec elle, d’est en ouest, le long des parallèles. Ce mouvement est appelé mouvement diurne.
Tandis que le mouvement des astres mobiles (qu’on appellera « déplacement propre » parce qu’il est propre à chaque mobile), s’effectue lentement sur la sphère et plus particulièrement sur le cercle écliptique, (parmi les étoiles qui sont fixes). Pour déceler ce mouvement, il faut l’observer sur de longues durées.
● Le déplacement annuel du soleil s’effectue très lentement le long de l’écliptique en sens inverse de la rotation diurne de la sphère (donc d’Ouest en Est) mais comme il est très faible (environ 1° par jour), pour le percevoir, il faut une observation très fine portant sur plusieurs jours.
● Le mouvement des planètes sur l’écliptique est lui aussi très lent mais plus complexe. Grossièrement, les planètes se déplacent aussi d’Ouest en Est, mais quelquefois elles reculent par rapport à leur sens de progression naturel, on dit qu’elles rétrogradent. Bien que lentes sur l’écliptique, les planètes intérieures (mercure, Vénus) sont beaucoup plus rapides que les planètes extérieures (Jupiter, Saturne, ...) qui peuvent rester pendant de longs mois pratiquement à la même place entre 2 étoiles.
● La lune se déplace un peu plus rapidement le long de l’écliptique mais au cours d’une nuit ce déplacement est à peine perceptible. Le déplacement de la lune sur l’écliptique s’effectue toujours d’Ouest en Est.
Que donne la composition des deux
mouvements ? Au cours d’une nuit ou d’une journée, comme les mobiles sont pratiquement fixes sur la sphère, ils vont suivre le même déplacement que les étoiles de la constellation où ils sont localisés c'est-à-dire qu’ils vont adopter le même mouvement que la sphère d’Est en Ouest. Ils vont éventuellement se lever et se coucher comme n’importe quelle étoile si le mouvement diurne de la sphère leur fait franchir l’horizon quand ils sont visibles et on les verra monter dans le ciel pour atteindre leur apogée sur le méridien avant de décliner vers l’Ouest, le couchant.
Si pour un jour donné la latitude du mobile est, par exemple 13° Nord, ce jour-là, comme il est pratiquement fixe sur la sphère, on va le voir décrire le 13e parallèle nord, comme toutes les étoiles qui ont la même latitude. Par exemple, ce jour-là : Le soleil qui est au plus bas sur l'écliptique (latitude 23° sud) va évoluer le long du 23eme parallèle sud. L'étoile Véga, comme toujours, va évoluer le long du 40eme parallèle Nord. Jupiter va évoluer le long du 13eme parallèle Nord.
Mais à la différence des étoiles, les planètes, le soleil, la lune font très lentement le tour de l'écliptique ce qui va modifier leur latitude et leur longitude, le lieu éventuel de leur lever et de leur coucher. En gros c’est comme si Jupiter était une punaise fixée à la sphère et que chaque jour on change l’emplacement de la punaise sur le cercle de façon imperceptible sur l'écliptique. Le premier jour nous verrons Jupiter environ 10° au-dessus de l'équateur, quelques mois après c’est le long de l’équateur que la rotation de la terre sur elle-même le fera tourner, quelques mois après c’est en dessous de l'équateur qu'on le verra tourner jusqu'à ce que sa latitude atteigne 23° sud. A partir de là, Jupiter remontera vers l'équateur le long du cercle l'écliptique, puis elle passera dans l'hémisphère Nord jusqu'à atteindre la latitude extrême de 23° nord où elle amorcera un nouveau mouvement vers le sud.
Eh bien, le soleil sur la sphère céleste ne se comporte pas autrement.
Les trajectoires du soleil dans le ciel au cours d’une année.
D’abord, souvenons-nous que lorsqu’un point (étoile ou autre) se déplace avec la sphère, d’Est en Ouest, il le fait le long d’un parallèle dont on voit une portion plus ou moins grande. On voit, plus de la moitié d’un parallèle de l’hémisphère nord, exactement la moitié de l’équateur, moins de la moitié d’un parallèle de l’hémisphère sud. Comme il faut 24h à un objet pour boucler un tour complet, il restera dans le ciel visible 12 heures s’il se déplace sur l’équateur, moins de 12 heures s’il se déplace sur un parallèle du sud et plus de 12 heures s’il se déplace sur un parallèle du nord.
3 mois après, le jour de l’équinoxe de printemps, il est au point vernal, sur l’équateur, dont il décrit exactement la moitié au cours de la journée de l’Est exact à l’Ouest exact.
Le jour des équinoxes, Nous voyons donc le soleil pendant 12 heures, le jour et la nuit sont d’égale durée. Enfin 3 mois après, le jour du solstice d’été, le soleil est au plus haut dans le ciel, dans les constellations des gémeaux et du taureau et il décrit plus de la moitié d’un parallèle du nord est au nord-ouest. Donc, en été, les journées sont plus longues que les nuits. Puis imperceptiblement le soleil va continuer son tour de l’écliptique et « descendre » vers le point de l’équinoxe d’automne et il va continuer à descendre vers le point le plus bas du solstice d’hiver qui marquera la fin d’une boucle complète.
La hauteur du soleil à midi (heure solaire).
On appelle hauteur méridienne du soleil (ou d’un astre quelconque) pour un jour donné sa hauteur sur l’horizon Sud quand il culmine sur le méridien. Le soleil, lui culmine sur le méridien, plein Sud à midi, heure solaire. Sur le dessin suivant il est midi, l’observateur est tourné vers le Sud. La sphère est représentée en coupe le long du méridien local.
On voit quelles sont les positions extrêmes du soleil lors des solstices d’hiver (Hmin) et d’été (Hmax). Le secteur angulaire jaune couvre toutes les hauteurs méridiennes possibles au cours de l’année. La sphère est jalonnée par les latitudes nord ou sud de quelques parallèles.
Pour aller de l’horizon à la position du soleil lors du solstice d’été, on gravit 47 parallèles jusqu’à l’équateur et encore 23 parallèles pour aller de l’équateur au soleil donc on a gravi en tout 47 + 23 = 70 parallèles ce qui correspond à une hauteur de 70°. Pour aller de l’horizon à la position du soleil lors du solstice d’hiver, on gravit 47 parallèles aller jusqu’à l’équateur puis on redescend de 23 parallèles ce qui fait que depuis l’horizon on a gravi 47 –23 = 24 parallèles et on se trouve à une hauteur de 24°.
Grâce à ces jalons, on voit comment on peut évaluer la hauteur méridienne d’un astre en fonction de sa latitude. Pour avoir la hauteur de l’astre quand il est sur le méridien, il suffit d’ajouter sa latitude sur la sphère céleste à la hauteur du point culminant de l’équateur mais on comptera cette latitude positivement s’il s’agit d’une latitude Nord et négativement s’il s’agit d’une latitude Sud. Inversement, si on mesure la hauteur méridienne d’un astre, on peut déterminer sa latitude sur la sphère céleste.
Nous savons 1) que la hauteur de l’équateur plein sud est 47° (exemple de Montpellier) 2) que lors des solstices le soleil se déplace sur les parallèles de latitude +23° et –23° de la sphère céleste. Nous pouvons donc en déduire que le soleil culminera dans le ciel vers le sud sur le méridien à une hauteur de 47 – 23 = 24° le jour du solstice d’hiver 47° aux équinoxes 47 + 23 = 70° le jour du solstice d’été.
Faisons maintenant le lien entre la latitude (géographique) d’un lieu sur la terre et les hauteurs extrêmes du soleil en ce lieu : Si la latitude d’un lieu de la terre est X la hauteur de l’équateur sur l’horizon sud est 90–X. Et les hauteurs méridiennes du soleil en ce lieu (en degrés) sont 90 – X – 23 lors du solstice d’hiver. 90 – X lors des équinoxes 90 – X + 23 lors du solstice d’été.
Ci-joint, nous retrouvons une illustration des chapitres précédents qui montrait la course du soleil en divers lieux de la planète.
il suffit d’appliquer les formules de l’encadré pour justifier l’inclinaison de l’équateur sur l’horizon et admettre que les trajectoires du soleil lors des solstices sont bien celles qu’on a représentées sur ce dessin.
Ici on ne s’est pas seulement intéressé à la situation du soleil culminant, on a représenté sa course depuis son lever (ou son coucher) ce qui permet de comprendre pourquoi la durée du jour (ou de la nuit) atteint 24h sur le cercle polaire.
Sur l’illustration suivante, on voit ce que donnent, dans la réalité, les trajectoires du soleil aux solstices et aux équinoxes en un lieu dont la latitude est comparable à la nôtre.
Observez les points de lever et de coucher du soleil, ainsi que la variation de sa hauteur méridienne, plein, sud, sur le méridien, à midi. (Rappelons que le méridien d’un lieu est le cercle qui joint le Nord au Sud en passant par le zénith). On retrouve bien un résultat conforme à ce que prédit le modèle théorique sur la sphère céleste.
Les saisons
Les saisons s’expliquent par deux raisons essentielles qui tiennent à la variation périodique de la situation relative du soleil et de l’horizon d’un lieu au cours d’une année.
Parallèles et équateur font un angle de 23° avec le plan de l’écliptique. Sur le dessin on a représenté le 45e parallèle nord et son inclinaison par rapport au plan de l’orbite est manifeste. L’hémisphère de la terre qui reçoit la lumière du soleil est celui qui lui fait face. Il a été représenté en bleu tandis que l’hémisphère obscur a été représenté en noir. On voit que l’inclinaison de l’axe de rotation de la terre sur l’écliptique a un effet manifeste : selon la période de l’année, la portion du parallèle qui est éclairée par le soleil est plus ou moins grande.
Aux équinoxes, la moitié du 45e parallèle est au soleil et la moitié à l’ombre. En hiver c’est à peine un tiers du parallèle qui est au soleil et en été, par contre les deux tiers du 45e parallèle sont éclairés par le soleil. Cela signifie que selon la saison, au cours d’une journée, chaque point du parallèle passe plus ou moins de temps à l’ombre et au soleil.
Donc lors du solstice d’été un point de latitude 45° sera exposé pendant environ16h au réchauffement du soleil et il n’aura qu’une nuit de 8h pour se refroidir. Lors du solstice d’hiver ce sera le contraire, 8h au soleil et 16h de nuit. Et lors des équinoxes, la situation sera intermédiaire : 12 heures de soleil et 12 heures de nuit. Ces chiffres expliquent que la température moyenne d’un lieu augmente avec la durée du jour.
Sur le dessin on constate également que pour un point du 45e parallèle sud c’est le contraire qui se produit, ce qui suffit à expliquer que les saisons soient inversées dans l’hémisphère Sud.
Mais cela ne suffit pas à expliquer les écarts de température en fonction de la latitude. Si, sur l’illustration précédente, on étudie l’éclairement de la terre lors du solstice d’été, on constate que la région polaire nord reçoit le soleil toute la journée. Pourtant, il y fait plus froid que sur le 45e parallèle qui reçoit la lumière du soleil moins longtemps.
En fait le facteur le plus important de réchauffement tient à l’angle selon lequel l’horizon reçoit les rayons du soleil. L’effet thermique est optimal quand le soleil est au zénith ou proche du zénith. Or nous savons que si la latitude du lieu est X la hauteur méridienne du soleil à midi, en degrés, varie entre 90–X –23 et 90–X +23. Pour Montpellier entre 90 – 43 – 23 et 90 – 43 + 23 soit entre 27° et 70° . Le soleil n’est jamais au zénith (90°) .
Pour que le soleil soit au zénith le jour du solstice d’été il faut que 90 – X + 23 = 90 ce qui donne X = 23°. + ou -23 ° C’est la latitude des tropiques du capricorne et du cancer. (90 – X = 67° aux tropiques) . Si 90 –X est plus grand que 67, ce qui correspond à une latitude plus faible que 23°, le soleil devrait atteindre le zénith plusieurs jours dans l’année. Cela est le cas pour toute la zone intertropicale qui englobe l’équateur.
Sur le cercle polaire (latitude X = 67°) la hauteur du soleil le jour du solstice d’été est à peine 46°. Pas étonnant qu’il ne fasse pas bien chaud malgré une durée maximale d’ensoleillement de 24H . Et le jour du solstice d’hiver la hauteur du soleil à midi est 0°. Brrr sous la couette les pingouins, bien serrés avec les ours polaires ! On n’oublie pas son thermolactyl et on attend des jours meilleurs.
Voilà pour le soleil. Mais comment se comportent la lune et les planètes ? La suite au prochain numéro.
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