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Au cours de l’année, le Soleil se couche en des positions différentes sur l’horizon. Pour l’observer, l’idéal est de se trouver sur une plage orientée vers l’ouest. Le Soleil se couche :
Cette observation permet de comprendre les mouvements de la Terre.
L’animation montre les positions du coucher de Soleil aux solstices et aux équinoxes, pour l’hémisphère nord (pour l’hémisphère sud, il faut faire une symétrie gauche-droite). Le dessin est orienté vers l’ouest. La ligne d’horizon s’étend depuis le sud (à gauche) jusqu’au nord. Le dessin est une projection de la portion de sphère céleste limitée par l’horizon et le méridien nord-sud (comme la projection de la sphère terrestre sur une mappemonde). Le point sud de l’horizon est à gauche, le nord à droite, et l’ouest exactement au centre. Le zénith (point de la voûte céleste juste au-dessus de votre tête) se trouve en haut et au centre du dessin. L’observateur se trouve au centre, et regarde vers l’ouest.
L’aspect change en fonction de la latitude à laquelle on observe. Deux curseurs permettent de modifier la latitude du lieu d’observation, et l’inclinaison de la Terre sur son orbite. Toute modification de cette dernière sera évidemment fictive, mais riche d’enseignements. Le réglage initial concerne la latitude de Marseille (43° N), et l’inclinaison vraie de la Terre (23° 26').
Les trois lignes noires inclinées représentent le trajet que parcours le Soleil en se couchant. Le Soleil est représenté plusieurs fois sur chacune. La plus à gauche, côté sud, indique le trajet du Soleil au solstice d’hiver ; la ligne centrale coupe l’horizon exactement au centre de l’image, c’est-à-dire à l’ouest, et représente le trajet du Soleil aux deux équinoxes ; enfin, la ligne de droite correspond au solstice d’été, et se trouve la plus au nord. Dans le courant de l’année, le Soleil se trouve toujours entre les deux lignes des solstices et son trajet, à une date quelconque, est une ligne parallèle aux trois lignes noires.
A Marseille, ces lignes font un angle de 47° avec l’horizon (leur angle côté gauche, c’est la colatitude : 90° - latitude). La ligne grise perpendiculaire aux trois autres relie les positions du Soleil à une même heure (15 h 30), au solstice d’hiver (sur l’horizon), aux équinoxes, et enfin au solstice d’été (très haut dans le ciel). Le trajet du Soleil entre cette ligne grise et l’horizon (au solstice d’été et aux équinoxes) indique l’ensoleillement gagné par rapport à l’hiver. C’est cette différence de trajet au-dessus de l’horizon qui produit la durée plus ou moins longue de l’ensoleillement journalier.
L’horizon étant dessiné du sud au nord, l’extrémité supérieure des lignes noires montre le point culminant du Soleil dans le ciel, c’est-à-dire sa position à midi. L’observateur étant au centre du dessin, voit le Soleil beraucoup plus haut au-dessus l’horizon au solstice d’été qu’au solstice d’hiver.
Le point opposé au midi se trouve sous l’horizon, à l’autre extrémité de la ligne noire. C’est la position du Soleil à minuit.
Les lignes noires (trajet du Soleil) sont parallèles à l’équateur, la ligne grise est parallèle à l’axe des pôles (axe de rotation de la Terre).
Enfin, la ligne bleu clair parallèle à l’horizon indique approximativement la hauteur du Soleil au-dessus de l’horizon lorsque commence le coucher du Soleil. En effet, l’obscurcissement du ciel commence lorsque le Soleil descend en-dessous d’une certaine hauteur sur l’horizon. Celle-ci est indépendante de l’angle que fait le trajet du Soleil sur l’horizon, donc indépendante de la latitude.
Manipulations
En utlisant le curseur de gauche, baissez progressivement la latitude : 35°, 30° ... Remarquez que les trajets du Soleil se relèvent.
Descendez la latitude jusqu’à 0° : vous êtes à l’équateur ! Les lignes sont maintenant verticales : le Soleil se couche en descendant perpendiculairement à l’horizon (il se lève de même de l’autre côté). C’est ce qui explique que dans les régions tropicales, le coucher de Soleil est très rapide. Vous remarquerez aussi que la durée du jour est la même tout au long de l’année (la ligne grise est sur l’horizon).
La ligne des équinoxes passe par le zénith : dans le courant de l’année, le Soleil passe au zénith deux fois, une fois à chaque équinoxe. Le reste du temps, il se balance entre les deux sosltices qui s’écartent du zénith de 23° 26’.
Nous allons maintenant remonter vers le nord.
Regardez où les lignes des solstices coupent la sphère céleste. Augmentez la latitude à 20°. Les lignes ont baissé vers l’horizon. Portez la latitude à 23°. La ligne du solstice d’été passe par le zénith. Le Soleil se trouve, à cette latitude, au zénith une fois dans l’année, le jour du solstice d’été.
Si vous allez un peu plus loin vers le nord, vous n’aurez plus jamais le Soleil au zénith. La latitude limite à laquelle le Soleil passe ainsi au zénith est par définition le tropique. Puisque nous sommes dans l’hémisphère nord, il s’agit du Tropique du Cancer. Contrairement à ce que disent bon nombre de romans, le Soleil n’est jamais au zénith aux latitudes de l’Europe ! Si vous lisez cela, il faudra comprendre que le Soleil passe au méridien…
Continuons notre remontée vers le nord. Fixez la latitude à 60°, et observez le point où se couche le Soleil au solstice d’été. Portez la latitude à 65° : le Soleil se couche un peu plus au nord au solstice d’été. Atteignez enfin les 67° : le Soleil atteint l’horizon au nord ! Le jour du sosltice d’été, il ne se couche pas vraiment, et reste à moitié au-dessus de l’horizon. C’est le Soleil de minuit. Nous sommes à la limite du Soleil de minuit : c’est le cercle polaire.
Observez également que le coucher de Soleil dure beaucoup plus longtemps qu’à l’équateur, car le Soleil se couche sur une ligne très inclinée sur l’horizon. Son trajet sous la ligne bleu clair est beaucoup plus long que dans les régions de basse latitude.
Si vous remontez encore plus au nord (latitude > 67°), la ligne noire du solstice d’été ne coupe plus l’horizon. Le Soleil ne se couche plus du tout, et reste d’autant plus haut dans le ciel qu’on se trouve plus au nord. Au pôle même, la ligne du solstice d’été est parallèle à l’horizon : dans le courant de la journée, le Soleil reste tout le temps aussi haut dans le ciel.
Au pôle, le Soleil jaune, qui se déplace, vous montre ce que vous verriez : il reste à cheval sur l’horizon toute la journée.
En fait, l’animation est une approximation qui ne concerne qu’un seul jour. Restons au pôle nord. Réellement, au solstice d’été le Soleil va descendre lentement vers l’horizon, de jour en jour. Il ne fera pas des cercles, mais une spirale qui le fera descendre en trois mois jusqu’à l’horizon.
Vous pourrez trouver des films montrant quelques cas particuliers ici.
Variation de l’inclinaison
Modifiez maintenant l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre. Vous changez ainsi l’écartement des trois lignes noires : plus l’inclinaison est forte, plus elles s’écartent. Si vous fixez l’inclinaison à 0°, les lignes noires des solstices disparaissent. En essayant des valeurs légèrement plus grandes que 0°, vous comprendrez qu’à inclinaison nulle elles sont toutes trois confondues : le Soleil suit la même ligne tout au long de l’année.
Dans ce cas, il n’y a donc plus de saisons, tout au moins de saisons dues à l’inclinaison de l’axe de rotation. Il peut rester un effet saisonnier produit par l’éloignement variable de la Terre au Soleil, mais celui-ci est tout à fait minime.
Si vous vous placez à l’équateur (latitude nulle), la ligne est verticale. Le Soleil passe au zénith tous les jours à midi.
Au pôle, les trois lignes se trouvent exactement sur l’horizon : le Soleil reste à cheval sur l’horizon toute l’année !
Réglez la latitude à 43° (Marseille). Portez l’inclinaison à 40°, puis à 47° : la ligne du sosltice d’été coupe l’horizon exactement au nord ; le jour du solstice, on aurait le Soleil de minuit à Marseille !
Réglez maintenant la latitude à 60°, et l’inclinaison à 23° (inclinaison réelle). Notez le point où se couche le Soleil au solstice d’été. Portez maintenant l’inclinaison à 30°. Le Soleil se trouve exactement au nord, le jour du solstice d’été, à minuit. Par conséquent, ce jour-là, il ne se couchera pas complètement : c’est le soleil de minuit. Poussez l’inclinaison à 40°, la ligne d’été se déplace vers la droite, et ne coupe plus l’horizon. Le soleil de minuit dure plusieurs jours.
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