Trajectoires du soleil – Mieux connaître les déplacements de notre étoile
En 2003, mon dossier de fin d’études au BTS portait sur LE TOURNESEUL.
LE TOURNESEUL fut une invention de Gérard MONTEL, décorée au concours LEPINE édition 2002, à laquelle je collabora par la communication de mes propositions techniques sous la forme d’un modèle 3D et de plans.
Lors de la conception de ce système, il a été nécessaire de construire avec exactitude les courbes et les trajectoires empreintées par notre étoile dans le ciel, de manière à définir la meilleure façon avec laquelle sera effectué le suivi automatique de l’astre du jour. Ce fut à cette occasion que je découvris avec stupéfaction la grande ignorance de beaucoup de personnes concernant les trajectoires solaires.
Sur les figures, les trajectoires et en même temps les hauteurs du Soleil sont tracées pour tous les pays qui sont à la latitude de la région de Paris. Les trajectoires et hauteurs du Soleil sont les mêmes pour Coutance, Evreux, Nancy et Strasbourg; mais aussi pour le Québec et Vancouver, la Bavière ou… le nord de la Chine. Plus on monte vers le Nord, plus le Soleil à son lever, s’écarte de l’Est à l’époque des solstices. L’angle que forme un point de l’horizon avec la direction du Sud, s’appelle l’azimut. L’équateur céleste est pratiquement la ligne que trace pour nous le Soleil dans le ciel, aux premiers jours du printemps et de l’automne (appelés jours d’équinoxes). Ce que, dans un langage simplifié, nous apprenaient nos géographies d’enfants, nous pouvons le représenter d’une façon développée.
L’observateur est ici dans un fauteuil placé devant une grande baie, face au Soleil se levant. Le parcours du Soleil est le plus long au solstice d’été.
Au solstice d’hiver, en revanche, le parcours du Soleil est le plus court.
Apparences et réalités
Aux équinoxes, pour nos latitudes au moins, le Soleil n’apparaît pas tout à fait à l’Est et ne disparaît pas tout à fait à l’Ouest. Il s’écarte alors vers le Nord, aussi bien de l’Ouest que de l’Est, de 0.5° environ, et cela parce que la réfraction de l’atmosphère nous permet de le voir, alors que géométriquement il est le matin encore sous l’horizon, et de le voir encore le soir, alors qu’il est déjà descendu sous l’horizon.
La réfraction est en effet, un phénomène dû à l’atmosphère qui courbe les rayons lumineux et nous fait apparaître un astre à l’horizon au-dessus de sa direction réelle. Ainsi, le Soleil apparaît-il relevé d’une hauteur à peu près égale à son diamètre. On le voit au-dessus de l’horizon alors qu’il arrive juste sous l’horizon. L’angle que fait l’équateur céleste avec le zénith est égal à la latitude du lieu ; l’angle que fait l’équateur avec l’horizon, ou hauteur de l’équateur céleste sur l’horizon, est son complément.
Jusqu’où le soleil monte t-il ?
Poser la question sur l’altitude maximale atteinte par notre étoile dans le ciel diurne en France a un individu lambda peut révéler quelques surprises. Pour la plupart des gens, le soleil est jugé capable de monter bien plus haut que son altitude réellement maximale atteinte en France en été autour de la fin juin. Serait-ce dû à la fameuse chanson de Serge Gainsbourg parlant d’un soleil tout à fait au zénith ???
Midi en Temps Universel (T.U) : Il s’agit de l’heure où le Soleil culmine ; il a atteint le point le plus haut de sa course quotidienne; on dit qu’il est “midi au Soleil”.
A Paris et là où la latitude est de 49°, la hauteur de l’équateur céleste au-dessus de l’horizon est de 41°. Nous voyons que c’est la hauteur du Soleil à midi aux premiers jours du printemps et de l’automne, et que cette hauteur atteint 64° (41+23) au premier jour de l’été, tandis qu’elle descend à 18° (41-23) au premier jour de l’hiver.
On dit que la déclinaison du Soleil est égale à zéro lorsque la trajectoire du Soleil suit l’équateur céleste. Cette déclinaison atteint +23° au début de l’été, et -23° au début de l’hiver. C’est l’écart que fait le Soleil avec l’équateur céleste à l’époque des solstices.
Variations de la hauteur maximale du soleil tout le long de l’année
L’étude porte sur 16 mesures prises le premier jour de chaque mois à 12h00 T.U (heure où le soleil se trouve le plus haut dans le ciel) ainsi qu’aux jours correspondant aux Equinoxes et aux Solstices.
Numéro de mesure | Date considérée | Altitude du soleil en degrés |
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1
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1 janvier
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18° 07′ 38”
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2
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1er février
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24° 03′ 21”
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3
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1er mars
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33° 34′ 52”
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4
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20 mars (équinoxe)
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41° 00′ 38”
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5
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1er avril
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45° 41′ 46”
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6
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1er mai
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56° 08′ 45”
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7
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1er juin
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63° 06′ 03”
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8
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21 juin (solstice)
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64° 31′ 38”
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9
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1er juillet
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64° 12′ 34”
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10
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1er Août
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59° 06′ 54”
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11
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1er septembre
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49° 19′ 31”
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12
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23 septembre (équinoxe)
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40° 52′ 50”
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13
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1er octobre
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37° 43′ 46”
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14
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1er novembre
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26° 24′ 47”
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15
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1er décembre
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19° 10′ 05”
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16
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22 décembre (solstice)
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17° 39′ 07”
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Dans le cadre de l’élaboration du Cahier Des Charges Fonctionnel de ce projet, il fut utile d’étudier les variations de la hauteur maximum du soleil sur un graphique. Cette hauteur varie en fonction de notre position sur la terre. Le soleil atteint le zénith (90°) dans le nord du continent Africain, en été, aux alentours du Caire. C’est à Bordeaux qu’on est à égale distance du pôle et de l’équateur. L’équateur céleste est de ce fait à égale distance de l’horizon et du zénith.
Les variations de hauteur du Soleil à midi sont lentes ou rapides suivant les saisons.
Aux premiers jours de l’été comme aux premiers jours de l’hiver, la hauteur du Soleil reste à peu près la même pendant 5 semaines; l’angle ne varie guère que de 1° (c’est bien là le sens de solstice). Dans les premiers jours du printemps ou de l’automne, la hauteur du Soleil varie très vite au contraire, d’un jour à l’autre (de plus de 1° en 3 jours). L’étude des variations a été effectuée aux coordonnées de Paris (Latitude : 48°36′ N, Longitude : 2° 19′ E et altitude : 375 mètres) avec un logiciel de simulation astronomique.
Position relative du soleil par rapport aux quatre points cardinaux
Solstice d’hiver – 21 décembre
Le soleil ne balaye que les 90° de l’horizon
Equinoxes de printemps ou d’automne – 21 mars et 21 septembre
Le soleil ne balaye que les 180° de l’horizon
Solstice d’été – 21 juin
Le soleil balaye la plus grande fraction du ciel diurne, à savoir les 270° de l’horizon
Sous d’autres latitudes…
Lorsque nous quittons nos latitudes pour aller vers le Nord, le Soleil, à midi, est de plus en plus bas sur l’horizon. Sa trajectoire se rapproche du plan de l’horizon. Au début de l’été, sur le cercle polaire, le Soleil tourne tout autour de l’horizon qu’il touche vers le Nord à minuit. Mais au solstice d’hiver, le Soleil ne fait qu’apparaître au Sud, pour disparaître aussitôt sous l’horizon.
Lorsque nous quittons nos latitudes pour aller vers le Sud, le Soleil est de plus en plus haut. Au début de l’été, sous le tropiques du Cancer, le Soleil de midi est au zénith : nous avons atteint la zone tropicale. Cette zone de part et d’autre de l’équateur terrestre, limitée par les tropiques du Cancer et du Capricorne, est celle où le Soleil passe au zénith à midi au solstice d’été. La lumière tombe alors verticalement. L’ombre ne nous accompagne plus, elle est tapie sous nos pas.
Le soir, le Soleil plonge à l’Ouest, à la verticale sur l’horizon.
La longueur des jours
Au solstice d’été, il fait jour à Paris depuis 2 heures de temps quand, sur le même méridien de Paris, le Soleil se lève à l’équateur. Deux heures plus tôt, quand le Soleil se levait à Paris, il faisait nuit noire à l’équateur sur le même méridien. Les jours sont de plus en plus longs au fur et à mesure qu’on monte vers le cercle polaire au-delà duquel il n’y a plus de nuit à cette époque de l’année.
Sous l’effet du déplacement de la Terre sur son orbite tout le long de l’année, la terre bascule régulièrement permettant l’alternance des saisons par les solstices et équinoxes. Cela est rendu possible par l’existence d’un angle d’inclinaison relativement constant appelé l’obliquité. Relativement constant car en réalité, l’obliquité varie d’un angle de 24,5° à 22,1° selon un cycle de précession de 41000 ans. Cette variation s’exprime par un déplacement régulier du pôle Nord céleste par rapport aux étoiles circumpolaires.
L’étude de cette mécanique pousse à l’humilité. Je fais parti de ceux restant en admiration devant la précision du mécanisme permettant à la vie d’exister sur Terre car la longueur des jours ne serait pas ce qu’elle est sans l’action de la Lune. Sans la Lune, le maintien d’une obliquité régulière de la Terre serait impossible. Sans la Lune, il n’y aurait pas de marées. Sans la Lune, la durée de nos journées ne pourrait être calée rigoureusement à une durée de 24 heures. Certains persistent en déclarant que tout cela est le résultat du pur hasard. Personnellement, je ne peux exclure de mon esprit l’existence d’un grand architecte de l’univers.
En 1991, dans un numéro de Ciel & Espace, je fus émerveillé de découvrir qu’une journée sur Terre durait sans doute seulement 22 heures, il y a 65 millions d’années au moment de la disparition des dinosaures. Nous savons grâce aux scientifiques que la distance Terre-Lune augmente régulièrement sous l’effet d’une opposition des forces entre les deux corps célestes se manifestant par le phénomène des marées. La croissance de cette distance cosmique s’accompagne du ralentissement régulier de la rotation de la Terre. Plus surprenant encore, la distance Terre-Lune est directement impliquée dans la valeur de l’obliquité. L’énorme éloignement de la Lune provoquera à terme, d’ici deux milliards d’années, non seulement considérablement le rallongement des journées sur Terre mais aussi le dérèglement complet du climat car l’obliquité de notre planète ne pourra plus être stabilisée par la Lune. Il se pourrait alors que la variation de l’obliquité de la Terre s’accélère également et ceci dans une fenêtre d’amplitude passant de 27° à 60° !!!