Cet angle varie avec la saison .
Il est minimum le jour du solstice d’hiver , maximum le jour du solstice d’été, et les jours d’équinoxe , il prend une valeur moyenne entre les deux valeurs extrêmes .
2) La trajectoire annuelle réelle autour du soleil
Si on observe le soleil et la terre depuis le pôle de l'écliptique , on constate qu'en réalité , le soleil est immobile tandis que la terre décrit autour de lui une ellipse très proche d'un cercle .
La terre est au point le plus proche du soleil (P, le périhélie) début janvier à 147 millions de kilomètres et au point le plus éloigné (A, l'aphélie), début juillet à 152 millions de kilomètres .
On parle d'apogée (A) et de périgée (P) si l'on considère le mouvement apparent du soleil autour de la terre mais il n'est pas gênant de confondre un terme et son homologue .La ligne AP s'appelle ligne des apsides .
3) la trajectoire annuelle apparente dans le zodiaque
Quand on vous dit que vous êtes né , par exemple , sous le signe du Scorpion , cela veut dire que le jour de votre naissance , le soleil se trouvait dans la constellation du Scorpion.
Si vous n'avez aucune notion d'astronomie , vous n'êtes pas plus avancé .
Voyons un peu ce que cela signifie .
Sur ce dessin , on voit le Soleil , la Terre , sur son orbite, et au delà, ce qui préfigure la sphère céleste avec les étoiles .
La seule partie mobile de ce dessin est la Terre . Tout le reste est composé d'étoiles et donc , en apparence immobile .
Si vous êtes né sous le signe du Scorpion , vous êtes né entre le 23 octobre et le 21 novembre . Entre ces deux dates , la terre décrit environ un douzième de son orbite et va de a à b .
Pour un observateur terrestre , tout se passe comme si , dans le même temps, le Soleil se déplaçait de A à B , parmi les étoiles qui campent le décor , à l’arrière - plan . Ces étoiles sont sensées appartenir à la constellation du SCORPION. Après le 21 novembre, la terre continuera sa course au delà de b et le soleil va entrer dans la constellation du SAGITTAIRE au delà de B . La courbe que semble décrire le soleil sur la sphère céleste est un cercle qu’on appelle Ecliptique , comme le plan de l’orbite terrestre dont il est le prolongement .
Mises bout à bout, les 12 constellations que va traverser le soleil au cours d’une année (qui correspond à un tour complet) forment une bande contenant l’écliptique qu’on appelle le Zodiaque . Localiser le Soleil dans le Zodiaque revient à localiser la Terre sur son orbite.
Les étoiles de chaque constellation du Zodiaque (figurées sous forme de points jaunes) forment un dessin caractéristique qu’on apprendra à reconnaître car on verra que c’est parmi elles qu’il faudra chercher les planètes qui empruntent le même chemin que le Soleil (ou la Lune) . Il est donc à la fois amusant et utile de savoir localiser les constellations du Zodiaque et d’imaginer , à partir d’elles , le tracé de l’Ecliptique .
A ce sujet , nous pouvons d’ores et déjà faire une remarque : du 23 octobre au 21 novembre , la constellation qui est occultée par le soleil (en théorie le Scorpion) , se couche en même temps que lui . Elle ne sera donc pas visible la nuit . Par contre , environ deux heures après que le Soleil se sera couché , on sait que ce sera au tour du Sagittaire de l’imiter à l’Ouest et c’est donc dans cette direction , tout prés de l’horizon , qu’il faudra chercher les étoiles du Sagittaire , ce qui nous donne un point de référence pour localiser l’endroit où la ligne Ecliptique émerge de l’horizon .
On voit ici comment l’imagerie populaire représente le signe du scorpion et son apparence réelle.
Mais attention : pour savoir dans quelle constellation se trouve le soleil tel jour de l’année , il ne faut absolument pas se fier à l’horoscope qui retarde environ d’un mois!
Voici quelle est la position exacte du soleil les jours de solstice et d’équinoxe :
Equinoxe de printemps le 21-03 : Poissons Solstice d’été le 21-06 : Gémeaux/Taureau
Equinoxe d’automne le 23-09 : Vierge Solstice d’hiver le 22-12 : Sagittaire/Scorpion
Pour expliquer le point de vue d’un observateur.
Sur ce dessin , on a représenté l’horizon comme un plan incliné sur lequel l’observateur peut s’orienter grâce aux points cardinaux (fixes sur le plan) . Un axe vertical , solidaire d’une machine, communique à l’horizon un mouvement de rotation. Il fait un tour en 24H. Ce mouvement est ainsi conforme au mouvement réel et on peut assimiler l’axe vertical à l’axe Nord - Sud de rotation de la terre sur elle même .
Sur le dessin, on a aussi représenté l’équateur céleste, qui est la trace circulaire du plan de l’équateur terrestre sur la sphère céleste. Il est donc normal que le plan de ce cercle soit perpendiculaire à l’axe de rotation de la machine. De ce fait, l’observateur voit l’équateur comme un demi - cercle orienté Est – Ouest et il en sera de même à tout moment de la rotation : l’équateur gardera le même aspect dans le ciel.
Nous savons que le cercle écliptique, lui, fait un angle de 23,5° par rapport à l’équateur. Il a donc par rapport à l’équateur une partie basse et une partie haute et en tournant, l’observateur verra l’écliptique monter et descendre comme un cerceau. Tantôt il sera orienté, Est / Ouest , tantôt Nord – est / Sud – Ouest , tantôt Nord - Ouest / Sud – Est.
Tantôt sa moitié visible coupera l’équateur, tantôt elle sera toute entière sous l’équateur, tantôt elle sera toute entière sur l’équateur.
L’un des points d’intersection de l’écliptique et de l’équateur s’appelle le point Vernal. Pour savoir duquel il s’agit, il faut considérer le mouvement du soleil sur l’écliptique (c’est à dire le mouvement apparent du soleil dans le zodiaque).
Nous savons que le soleil met un an pour parcourir l’écliptique. En ce moment, il est dans sa partie basse, donc on est en hiver. Si on suppose que le soleil se déplace, tout au long de l’année dans le sens de la flèche, il va , à un moment donné traverser, l’équateur du sud au nord (de bas en haut) . Ce moment sera appelé Equinoxe de printemps et le soleil sera situé au point vernal. En continuant sa course, six mois après, il va traverser l’équateur du Nord au Sud, et le jour où il se trouvera sur l’équateur sera appelééquinoxe d’automne. Le jour où le soleil est au point bas de l’écliptique (en gros dans la situation du dessin) est le solstice d’hiver . Quand il est au point haut, c’est le solstice d’été.
Supposons, maintenant le soleil, immobile, pour un jour donné, (il ne bouge que de 1° par jour sur l’écliptique), et essayons d’imaginer ce que voit l’observateur.
Nous nous situons dans son dos.
1) 12H Le premier schéma correspond au point de vue de l’observateur dans sa position de départ (Ecliptique orienté est/ouest et culminant au sud mais en dessous l’équateur).
2) 18H En tournant, l’horizon cache le soleil. Cela se passe au Sud – Ouest car le soleil est bas (on est en hiver). L’écliptique est orienté NE-SO . Le point opposé au vernal est devant nous.
3) Après 12 heures d’observation, (l’horizon a fait un ½ tour) on observe l’écliptique de nouveau orienté est/ouest mais cette fois, en position haute au dessus de l’équateur.
4) 6H du matin, le soleil est sur le point de se lever (au Sud – Est). L’écliptique est orienté SE-NO. En réalité, la nuit dure plus de 12H parce que le soleil est d’autant plus rapidement caché par l’horizon qu’il est bas sur l’écliptique ce qui raccourcit la durée du jour et allonge la durée de la nuit . Mais par commodité, on a fixé à 12H l’intervalle entre coucher et lever.
Vous pouvez maintenant revenir au premier dessin (montrant la machine simulant la course diurne du soleil) et imaginer ce qui se passerait, si le soleil était situé au point vernal (équinoxe de printemps). Il nous semblerait que le soleil (qui se lèverait plein Est et se coucherait plein Ouest) décrirait l’équateur, au cours de sa course. Cette fois, le jour et la nuit auraient la même durée (12H soit un demi – tour) .
Et le jour du solstice d’été , on verrait le soleil se lever au Nord Est et se coucher au Nord Ouest . Il serait présent plus longtemps qu’un demi – tour, dans le ciel, au cours d’une journée à cause de sa position haute.
Soleil et saisons
Pour expliquer les phénomènes saisonniers (différences de températures, variation de la durée relative des jours et des nuits), il suffit de se référer à un dessin montrant le déplacement de la Terre autour du Soleil en prenant en compte l’inclinaison de son axe de rotation sur le plan de l’écliptique (66,5°) et de s’intéresser à la façon dont notre planète reçoit l’éclairage du soleil selon la position qu’elle occupe sur sa trajectoire
Observons tout d’abord que les saisons n’ont rien à voir avec la variation de distance entre la Terre et le Soleil .
Au contraire , on remarque que c’est en plein hiver boréal que la Terre est au périhélie , le point de son orbite qui est le plus rapproché du Soleil .
Et puis , nous savons qu’à l’hiver boréal de l’hémisphère nord, correspond l’été austral de l’hémisphère sud . C’est donc que, pour une distance donnée , certains points de la Terre subissent l’hiver et d’autres l’été .
L’équateur (dont le plan fait un angle de 23,5° avec celui de l’écliptique), l’axe de rotation de la Terre orienté nord- sud, ainsi que le 45eme parallèle nord , sont représentés sur les dessins de cette page .
Nous avons aussi représenté en jaune l’hémisphère terrestre éclairé par le soleil qui dépend , évidemment de la position de notre planète sur son orbite .
Imaginons, maintenant, au cours d’une journée, la Terre , à peu prés immobile sur son orbite mais faisant un tour complet autour de son axe .
Nous constatons, sur le dessin du haut que le pôle nord (sur l’axe de rotation) ne voit pas le soleil le 22 décembre (on est en pleine nuit polaire). Le pôle est éclairé du 21 mars au 23 septembre.
Supposons que nous nous intéressions aux saisons d’un lieu situé sur le 45eme parallèle nord .
Nous constatons que le 21 juin , les trois quarts, environ, de la circonférence du 45eme parallèle nord sont au soleil et le quart restant à l’ombre tandis que c’est le contraire le 22 décembre .
Cela veut dire qu’ en tant qu’observateur situé sur le 45eme parallèle , le 21 juin , nous connaîtrons une journée d’environ 18h et une nuit d’environ 6h , tandis que ce sera l’inverse le 22 décembre .
Aux dates des équinoxes , jour et nuit ont exactement la même durée. (C’est aussi le cas tout au long de l’année pour un point de
l’équateur).
Nous observerons également qu’un point du 45eparallèle sud est soumis au traitement inverse d’un point du 45e parallèle nord, ce qui explique l’inversion des saisons sur les deux hémisphères .
Les points de l’atmosphère ou de l’écorce terrestre, les océans et les mers, vont évidemment subir, selon la date, une exposition plus ou moins prolongée au soleil , ce qui va influer sur les conditions climatiques du milieu auquel ils contribuent .
En été, toute la chaleur stockée pendant le jour ne sera pas entièrement restituée pendant la nuit (plus courte) , ce qui va contribuer à augmenter la température ambiante .
D’autres considérations , comme l’inclinaison des rayons du soleil par rapport au sol vont faire que , pour une même durée d’exposition moyenne , il va faire plus chaud au niveau de l’équateur qu’au niveau du pôle.
Sur le dessin , on constate que , le 22 juin , seuls les points du tropique du Cancer (23,5° nord) reçoivent le soleil à la verticale , ce qui correspond à un effet thermique optimal .
Le 22 décembre , c’est le tropique du Capricorne (23,5° sud) qui sera soumis au même traitement .
Pour apprécier le rôle modérateur (l’effet tampon) joué par l’atmosphère , il faut savoir que sur la Lune (qui en est dépourvue) les écarts de température les plus extrêmes entre ombre et lumière atteignent 250°C (de -100°C à +150°C) ce qui y rend toute vie impossible.
Hauteur et latitude
Il existe un lien manifeste entre hauteur et latitude .
Si l’on appelle hauteur d'un objet l'angle que fait la direction dans laquelle on voit cet objet avec le plan d'horizon , on constate que depuis un lieu L situé à une latitude de 43° nord , on voit l’étoile polaire à une hauteur de 43° au dessus de l'horizon nord et le point culminant du cercle équateur sur le méridien à une hauteur de 47° sur l'horizon sud .
Plus généralement ,
si la latitude du lieu est a,
la hauteur de la polaire sur l’horizon nord est a
et la hauteur du point culminant de l'équateur céleste sur l’horizon sud est 90° – a .
De la même façon , connaissant la latitude a d’un lieu , on peut calculer la hauteur méridienne du soleil (à midi, heure solaire) aux équinoxes et aux solstices .On rappelle que la valeur de l’angle entre équateur et écliptique est 23,5°.
Au solstice d’hiver : hm = 90 - a - 23,5 (environ 23,5° sous nos latitudes)
Aux équinoxes : hm = 90 - a (environ 47°)
Au solstice d’été : hm = 90 - a + 23,5° (environ 70,5°)
Ces chiffres sont intéressants car il nous permettent d’imaginer comment se présentera le soleil à midi dans les lieux les plus divers .
Au pôle nord , par exemple (latitude a = 90°) , le soleil sera sous l’horizon en hiver , pendant la nuit polaire
(hm = - 23,5°) et sa hauteur maximale sera + 23,5° en été .
Aux équinoxes , le soleil parcourra l’horizon polaire, n’arrivant pas à décoller (hm = 0°).
Au solstice d’été , pour recevoir le soleil verticalement à midi (hm = 90°) , il faut se situer à une latitude de 23,5° c’est à dire sur le tropique du Cancer . Au solstice d’hiver on obtient le même résultat sur le tropique du Capricorne (a = -23,5°) .
Aux équinoxes , c’est sur l’équateur que l’effet thermique est maximum (hm = 90°) .
D’où proviennent ces chiffres ? Comment les expliquer ?
Sur cette image , on voit la terre en coupe le long du méridien du lieu L . La direction dans laquelle on voit la polaire depuis L est LY (parallèle à OP) .
La direction dans laquelle on voit le point culminant de l’équateur sur le méridien est Lx (parallèle à OE) .
PE est le plan d’horizon de L , tangent à la Terre .
On a donc PE perpendiculaire à OL .
OE étant le plan équateur , la latitude du lieu L est l’angle
O1 = EOL = a .
En utilisant nos connaissances sur les triangles rectangles et sur les angles déterminés par une sécante sur des droites parallèles, on démontre facilement que PLY =a et Elx=90-a .
Voici donc démontrés les 2 premiers résultats à savoir
1) la hauteur de la polaire sur l’horizon nord (Ply) est égale à la latitude du lieu d’observation (a) .
2) La hauteur du point culminant de l’équateur sur le méridien (Elx) est 90-a.
Pour expliquer le schéma suivant, nous allons supposer que l’horizon (en bleu) est le seul plan fixe, tandis que la sphère céleste (à laquelle est soudé le soleil , lui même solidaire de l’écliptique) est entraînée dans une rotation permettant de faire un tour complet en 24h . Tous les cercles décrits dans cette rotation diurne sont parallèles à l’équateur .
Si on fixe le soleil en 1), au point le plus haut de l’écliptique , il décrit le cercle jaune qui correspond à sa trajectoire lors du solstice d’été .
Si on le fixe en 2), au point vernal , il décrit bien l’équateur (soleils bleus) conformément à nos prévisions.
Enfin, lorsqu’on le fixe en 3) au point le plus bas de l’écliptique, il décrit le cercle gris qui correspond à sa trajectoire lors d’un solstice d’hiver.
Le soleil se lève et se couche lorsqu’il franchit l’horizon . Grâce à ce dessin on comprend comment les points de lever et de coucher évoluent du nord au sud selon la saison, quand le soleil glisse du haut en bas de l’écliptique.
Les hauteurs méridiennes à midi sont les angles STH , STP et STE selon la saison . On vient de démontrer que l’angle STP est égal à 90 - a . Pour trouver STH et STE à partir de cet angle , on voit qu’il faut respectivement enlever ou ajouter 23,5° (angle écliptique , équateur : PTH ou PTE) .
On retrouve donc les formules donnant la hauteur méridienne du soleil (hm) au moment des solstices et équinoxes .
Variations selon le lieu.
On sait désormais que les trajectoires solaires diurnes sont des cercles dont le plan est parallèle à l’équateur et que les points de lever et de coucher du soleil évoluent entre deux positions extrêmes situées à 23,5° au nord et au sud de la ligne est/ouest .
Seules , les régions circumpolaires (définies comme une calotte de rayon 23,5° autour des pôles) font exception, du fait que les trajectoires solaires n’y coupent pas forcément l’horizon .
Nous remarquons aussi que dans l’hémisphère sud, le soleil culmine au nord , sur le méridien , au contraire de ce que nous observons dans l’hémisphère nord . C’est ce que traduit une hauteur méridienne (hm) supérieure à 90° .
On a vu aussi que la hauteur de l’étoile polaire (au dessus de l’horizon nord) était égale à la latitude du lieu .
De ce fait , au pôle nord , il faut la chercher au zénith , sur l’équateur , il faut la chercher au ras de l’horizon (une zone où la visibilité n’est pas bonne) et dans l’hémisphère sud , elle est tout simplement invisible puisqu’une hauteur négative la situe au dessous de l’horizon .
Les trois crépuscules
Pour les besoins de l’observation astronomique , les règles de navigation , etc ... on a défini 3 crépuscules qui correspondent à une transition plus ou moins complète du jour à la nuit ou de la nuit au jour .
Le crépuscule débute au coucher du soleil (ou finit au lever du soleil) .
Les différents crépuscules sont définis en fonction de la hauteur du soleil , sous l’horizon .
Entre 0° et - 6° , on parle de crépuscule civil .
Entre 0° et -12° , on parle de crépuscule nautique .
Entre 0° et -18° , on parle de crépuscule astronomique dont la fin correspond à la nuit complète .
La durée des différents crépuscules dépend de la date et de la latitude du lieu d’observation .
Au mois de juin , le soleil étant au plus haut de l’écliptique , il n’atteint jamais la profondeur de -18° , ce qui fait qu’à cette date , la fin du crépuscule astronomique ne se produit jamais .
Les planètes intérieures , qui sont très proches du soleil , ne seront quelquefois visibles qu’à la fin du crépuscule civil . C’est surtout le cas de Mercure dont l’orbite a le plus faible rayon .
