Une photographie du Soleil prise à la même heure chaque jour donnera le motif visuel vu ici,… connu sous le nom d’analemme. La forme pincée, en forme de 8, est due aux facteurs variables de l’orbite de la Terre dans l’espace.
César Cantú / AstroColors
À tout moment de la journée, vous pourriez théoriquement installer un appareil photo pour prendre une photo du paysage qui englobe la position apparente du Soleil dans le ciel. Si vous revenez le lendemain à la même heure, 24 heures plus tard, vous constaterez que le Soleil a légèrement changé de position. Si vous faisiez cela tous les jours pendant une année complète, vous découvririez deux choses importantes :
- Le Soleil serait enfin revenu à son point de départ, comme la Terre est revenue au même point de son orbite un an auparavant.
- La forme que vous avez tracée ressemblerait à un huit avec une boucle plus grande que l’autre : une forme connue sous le nom de notre analemme.
Le fait que la Terre tourne autour du Soleil une fois par an explique la première partie. Mais le mouvement du Soleil dans sa forme particulière d’analemme est dû à une combinaison de raisons profondes. Découvrons pourquoi.
La Terre en orbite autour du Soleil, avec son axe de rotation indiqué. Tous les mondes de notre système solaire… ont des saisons déterminées soit par leur inclinaison axiale, soit par l’ellipticité de leurs orbites, soit par une combinaison des deux.
Wikimedia commons user Tauʻolunga
Le premier contributeur majeur au mouvement apparent du Soleil est le fait que la Terre orbite autour du Soleil en étant inclinée sur son axe. L’inclinaison axiale de la Terre d’environ 23,5° garantit que les observateurs situés à différents endroits verront le Soleil atteindre des positions plus ou moins élevées au-dessus de l’horizon tout au long de l’année. Lorsque votre hémisphère est incliné vers le Soleil, la position maximale du Soleil s’élèvera plus près du zénith, tandis que lorsque votre hémisphère est incliné à l’opposé, la position maximale du Soleil s’en éloignera.
Lorsque votre moitié du monde est inclinée vers notre étoile mère, la trajectoire du Soleil dans le ciel apparaît plus longue, s’élève plus haut et nous donne plus d’heures de lumière du jour que la moyenne. L’inclinaison axiale est à l’origine des saisons sur Terre et explique pourquoi il y a une telle différence dans la longueur et le caractère d’une journée au solstice d’été par rapport au solstice d’hiver.
La trajectoire apparente du Soleil dans le ciel au solstice est très différente près de l’équateur, à 20… degrés de latitude (à gauche), et loin de l’équateur, à 70 degrés de latitude (à droite). Depuis ce dernier endroit, le Soleil n’est jamais visible pendant le solstice d’hiver, car l’inclinaison axiale est supérieure à la différence de latitude par rapport au pôle.
Wikimedia Commons utilisateur Tauʻolunga
En général, sur toute la Terre, le Soleil semble se lever dans la partie orientale du ciel, s’élever très haut vers la direction équatoriale, puis redescendre et se coucher à l’ouest. Si vous vivez :
- au sud de 23,5° de latitude S, le solstice de juin marque le chemin le plus court et le plus bas du Soleil dans le ciel, tandis que le solstice de décembre marque le chemin le plus long et le plus haut.
- au nord de 23,5° de latitude N, le solstice de décembre marque le chemin le plus court et le plus bas du Soleil dans le ciel, tandis que le solstice de juin marque le chemin le plus long et le plus haut.
- entre les deux tropiques (entre 23.5° S et 23,5° N), le Soleil passera directement au-dessus de nos têtes pendant deux jours équidistants d’un solstice.
De n’importe quel endroit, si vous deviez suivre la position du Soleil tout au long de l’année – comme à travers une caméra à sténopé – voici ce que vous verriez.
La trajectoire observée que le Soleil prend dans le ciel peut être suivie, de solstice en solstice,… en utilisant une caméra à sténopé. Cette trajectoire la plus basse correspond au solstice d’hiver, où le Soleil inverse sa course, passant d’une descente plus basse à une montée plus haute par rapport à l’horizon, tandis que la trajectoire la plus haute correspond au solstice d’été.
Regina Valkenborgh / www.reginavalkenborgh.com
Mais le Soleil ne semble pas simplement monter et descendre dans le ciel selon une forme symétrique. Les heures de coucher et de lever du Soleil varient tout au long de l’année. Le Soleil atteint son point culminant à divers moments au fil des saisons, et pas seulement à midi tous les jours.
La raison de ce phénomène est en grande partie due au deuxième facteur principal qui contribue au mouvement apparent du Soleil tout au long de l’année : L’orbite de la Terre autour du Soleil est elliptique, et non circulaire.
L’orbite en ellipse ne signifie pas seulement que la Terre est plus proche ou plus éloignée du Soleil à certains points de son orbite. Cela signifie également – par la deuxième loi de Kepler – que lorsque la Terre est proche du Soleil (périhélie), elle possède une vitesse orbitale plus rapide, et lorsque la Terre est éloignée du Soleil (aphélie), elle possède une vitesse orbitale plus lente.
Les planètes se déplacent dans les orbites qu’elles font, de manière stable, en raison de la conservation du momentum… angulaire. N’ayant aucun moyen de gagner ou de perdre du moment angulaire, elles restent dans leurs orbites elliptiques arbitrairement loin dans le futur. La Terre s’approche le plus près du Soleil tous les 3 janvier environ, tandis qu’elle s’en éloigne le plus au début du mois de juillet.
NASA / JPL
En soi, cela ne ferait pas une grande différence, mais il faut maintenant ajouter un autre facteur : la Terre ne tourne pas une fois sur son axe toutes les 24 heures. Au lieu de cela, la Terre effectue une rotation complète de 360° en seulement 23 heures et 56 minutes ; une journée prend 24 heures parce qu’il faut ces 4 minutes supplémentaires pour « rattraper » la quantité de distance que la Terre a parcourue dans son orbite autour du Soleil.
Pendant une journée moyenne, lorsque la Terre se déplace à sa vitesse moyenne autour du Soleil, 24 heures conviennent parfaitement. Mais lorsque la Terre se déplace plus lentement (près de l’aphélie), 24 heures sont trop longues pour que le Soleil revienne à sa même position, et le Soleil semble donc se déplacer plus lentement que la moyenne. De même, lorsque la Terre se déplace plus rapidement (près du périhélie), 24 heures ne sont pas tout à fait suffisantes pour que le Soleil revienne à sa position de départ, et il se déplace donc plus rapidement que la moyenne.
L’effet de la nature elliptique de notre orbite (à gauche) et de notre inclinaison axiale (au milieu) sur la position du Soleil… dans le ciel se combinent pour créer la forme d’analemme (à droite) que nous observons depuis la planète Terre.
Image générée par Autodesk via le Royaume-Uni
Si nous n’avions que l’inclinaison axiale à affronter, et que notre orbite était un cercle parfait, la trajectoire que le Soleil trace dans le ciel serait une figure en 8 vraiment parfaite : symétrique par rapport aux axes horizontal et vertical.
Si nous vivions sur une planète déportée dont l’orbite est elliptique, la trajectoire du Soleil dans le ciel serait simplement une ellipse : où l’excentricité serait le seul contributeur à la façon dont le Soleil se déplace. C’est ce qui se passe en gros sur Jupiter et Vénus, où les inclinaisons axiales sont négligeables.
Mais ici sur Terre, nous avons à la fois une orbite elliptique et une inclinaison axiale importante, et donc les deux effets sont significatifs. En particulier, lorsque nous les combinons, nous pouvons immédiatement voir pourquoi notre analemme ressemble à un « 8 » qui est pincé sur un côté étroit.
Alors que la Terre tourne sur son axe et tourne autour du Soleil dans une ellipse, la position apparente du Soleil… semble changer du jour au lendemain dans cette forme particulière : L’analemme de la Terre.
Giuseppe Donatiello / flickr
Ici sur Terre, le périhélie se produit le 3 janvier : juste 2 semaines après le solstice de décembre. Puisque notre planète est en mouvement avec la plus grande vitesse près du solstice de décembre, cela rend le côté « inférieur » de l’analemme (de l’hémisphère nord) beaucoup plus grand que le côté « supérieur », qui coïncide avec l’aphélie au début de juillet et le solstice de juin.
Tout compte fait, nous pouvons combiner ces effets pour faire une équation pour l’endroit où le Soleil sera situé à n’importe quel moment particulier, vu de n’importe quel endroit sur la Terre. Nous appelons cette quantité dérivée l’équation du temps.
L’équation du temps est déterminée à la fois par la forme de l’orbite d’une planète et son inclinaison axiale, ainsi… que par leur alignement. Pendant les mois les plus proches du solstice de juin (lorsque la Terre s’approche de l’aphélie, sa position la plus éloignée du Soleil), elle se déplace le plus lentement, et c’est pourquoi cette section de l’analemme apparaît pincée, tandis que le solstice de décembre, survenant près du périhélie, est allongé.
Rob Cook, utilisateur de Wikimedia Commons
En somme, ce sont uniquement l’inclinaison axiale et l’ellipticité qui déterminent la forme de la trajectoire du Soleil vue au même moment, chaque jour, depuis la Terre. L’analemme de la Terre est fixé dans cette forme particulière.
Mais deux autres facteurs entrent en jeu pour déterminer l’orientation exacte de l’analemme. Le premier est votre emplacement sur la Terre : les observateurs de l’hémisphère nord verront la petite boucle de l’analemme se produire haut dans le ciel et la grande boucle se produire plus bas dans le ciel, tandis que les observateurs de l’hémisphère sud verront l’inverse.
Si vous photographiez le Soleil tous les jours à midi, votre analemme apparaîtra parfaitement vertical (à gauche)….. Avant midi (en haut à droite), l’analemme semble tourner dans le sens inverse des aiguilles d’une montre vers l’horizon, tandis qu’après midi, il semble tourner dans le sens des aiguilles d’une montre par rapport à l’horizon. Ces images sont une preuve supplémentaire, pour tous les sceptiques, que la Terre est ronde.
The Sydney Morning Herald
Et l’autre est à quel moment de la journée vous prenez vos photographies. Si vous prenez votre photographie quotidienne :
- à midi, lorsque le Soleil est au plus haut, l’analemme apparaîtra parfaitement vertical.
- avant midi, avant que le Soleil n’atteigne son maximum, l’analemme apparaîtra tourné dans le sens inverse des aiguilles d’une montre par rapport à la position de midi.
- après midi, après que le Soleil ait atteint son maximum, l’analemme apparaîtra tourné dans le sens des aiguilles d’une montre par rapport à sa position de midi.
On peut dire, en examinant les 52 images combinées de César Cantú, prises tout au long de l’année et assemblées, qu’il a photographié le Soleil en fin d’après-midi depuis sa latitude au Mexique.
Au cours d’une année de 365 jours, le Soleil semble se déplacer non seulement de haut en bas dans le ciel, comme… déterminé par notre inclinaison axiale, mais d’avant en arrière, comme déterminé par notre orbite elliptique autour du Soleil. Lorsque les deux effets sont combinés, la figure en 8 pincée qui en résulte est connue sous le nom d’analemme. Les images du Soleil présentées ici sont une sélection de 52 photographies issues des observations de César Cantú au Mexique au cours d’une année civile.
César Cantú / AstroColors
Il est facile de voir que le point le plus haut correspond au solstice d’été, tandis que le point le plus bas correspond au solstice d’hiver, mais il n’y a pas de signification astronomique particulière au « point de croisement » de l’analemme du Soleil vu de la Terre. Se produisant approximativement le 14 avril et le 30 août, ces dates sont uniquement déterminées par la façon dont nos saisons, déterminées par l’inclinaison axiale, s’alignent avec l’orbite de notre planète autour du Soleil.
Si notre périhélie et notre aphélie étaient alignés avec les équinoxes, plutôt qu’avec les solstices, nous aurions un analemme en forme de larme, plutôt qu’en forme de 8, ce qui est la façon dont le Soleil apparaît depuis Mars ! L’analemme est la belle forme naturelle tracée par le Soleil au fil du temps, créant une figure en 8 comme le dictent notre orbite et notre inclinaison axiale. Appréciez le mouvement du Soleil dans nos cieux, car sa pirouette cosmique unique est due au mouvement unique de notre planète dans l’espace !
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