Dans le cadre de l'activité Combien de temps dure une journée, nous avons mis l'accent sur les variations du nombre d'heures de jour selon différents endroits sur Terre. Nous avons également étudié les changements d'heures du lever et du coucher du soleil au fil de l'année.

Regardons les heures de lever et de coucher du soleil pour la plus petite journée de l'année dans l'hémisphère nord : le 21 décembre. A une latitude d'environ 40 degrés au nord de l'équateur (au niveau de la Mer Méditerranée, de la partie centrale des Etats-Unis ou de la Mer Jaune, par exemple), le soleil se lèverait à environ 7 h 40 et se coucherait approximativement à 16 h 55. Par conséquent, à cette latitude, il fait jour pendant 9 heures et 15 minutes au total.

Vous pensez peut-être que la courte durée de cette journée résulte du fait que le soleil se lève tard et se couche tôt. Eh bien non ! Surprise ! Le jour où le soleil se lève le plus tard (vers 7 h 43) est le 4 janvier et le jour où il se couche le plus tôt (vers 16 h 52) est le 7 décembre. Comment est-ce possible ?

Ce curieux phénomène s'explique par deux facteurs : d'une part, l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre, et d'autre part l'orbite de la terre autour du soleil n'est pas parfaitement circulaire, mais légèrement elliptique ou ovale. La combinaison de ces deux éléments entraîne un décalage de la trajectoire apparente du soleil au long de l'année, qui est à l'origine du phénomène surprenant décrit plus haut.

S'il était possible de marquer la position du soleil dans le ciel chaque jour à la même heure, quel serait le résultat obtenu ? Vous pensez peut-être que le soleil apparaît chaque jour à la même heure au même endroit dans le ciel . Cette hypothèse se vérifierait si la Terre n'était pas inclinée et si son orbite était un cercle parfait. Mais, comme nous le savons, cela n'est pas le cas. Examinons de plus près l'inclinaison de l'axe et la forme de l'orbite.

L'inclinaison modifie la hauteur d'apparition du soleil dans le ciel tout au long de l'année, à un endroit donné sur la surface de la Terre. Si vous vous trouvez dans l'hémisphère nord, comme décrit sur le schéma, le soleil se trouve à sa position la plus basse dans le ciel à midi au mois de décembre et à sa position la plus haute à midi au mois de juin. Dans l'hémisphère sud, c'est exactement le contraire. Par exemple, aux endroits situés à une latitude d'au moins 20 degrés au nord ou au sud de l'équateur, ce déplacement vertical tout au long de l'année est assez facile à observer.
De plus, l'inclinaison de la Terre influe également sur la position horizontale du soleil pendant l'année, comme nous l'avons observé à la même heure chaque jour. Examinons d'abord la trajectoire du soleil dans le ciel un jour donné. Le schéma ci-contre décrit le déplacement observé depuis un endroit situé dans l'hémisphère nord. Ce mouvement apparent résulte de la rotation de la Terre. Quel que soit le jour, le soleil atteint sa position la plus haute à midi.
En raison de l’inclinaison de la Terre, le soleil atteint son zénith (c’est-à-dire sa position la plus haute dans le ciel un jour donné) un peu avant ou après 12 h, heure locale tous les jours de l’année, à quelques exceptions près. Par exemple, entre décembre et mars ainsi qu'entre juin et septembre, dans l'hémisphère nord, le soleil atteint son zénith dans le ciel quelques minutes avant midi, heure locale.
Cela signifie qu'à midi, le soleil n'a pas encore atteint la même position de zénith dans le ciel au mois de juin ou au mois de décembre. Le schéma ci-dessous représente les positions du soleil à midi. De même, entre mars et juin ainsi qu'entre septembre et décembre, le soleil atteint son zénith dans le ciel quelques minutes après midi, heure locale. Dans les schémas ci-contre et ci-dessous, nous avons exagéré les distances horizontales pour que vous puissiez bien comprendre le phénomène. En réalité, les distances horizontales ne sont pas si importantes. On les remarque toutefois facilement. Pouvez-vous relever la trajectoire générale du soleil sur un schéma tout au long de l'année ? Comment décririez-vous sa forme ?
L’orbite de la Terre est quasiment circulaire, mais il s’agit en fait d’une forme suffisamment elliptique (ovale) pour modifier la vitesse orbitale de la Terre au cours de l’année. Ce changement de vitesse influe sur la position du soleil dans le ciel. Par exemple, la Terre est plus près du soleil en janvier, et la vitesse orbitale de la Terre est beaucoup plus rapide à peu près entre octobre et février que pendant les autres périodes de l’année.
En raison de cette augmentation de la vitesse, le soleil atteint son zénith dans ciel plus tôt en janvier et plus tard en novembre par rapport à l’heure qui résulterait de la seule inclinaison de la Terre. Pendant la deuxième moitié de l’année, on observe des phénomènes similaires liés à une vitesse orbitale plus lente. Sur le schéma ci-contre, vous pouvez observer la position qui résulterait de la seule inclinaison de la Terre, représentée par une couleur claire. A l'inverse, les positions tenant compte à la fois de l'inclinaison et de la vitesse orbitale sont représentées par une couleur plus soutenue.

Il est plus facile de comprendre l’effet de l’inclinaison et de l’orbite légèrement elliptique en les visualisant sous forme de graphique. Au fil de l'année, la position apparente du soleil, observée d'un endroit donné, tous les jours à la même heure, dessine dans le ciel une trajectoire qui ressemble au chiffre huit. Cette trajectoire invisible est appelée un analemme. La hauteur de l’analemme résulte de l’inclinaison de la Terre et sa largeur résulte à la fois de son inclinaison et de la nature elliptique de son orbite.

Vous pouvez voir la forme de l’analemme sur cette célèbre photographie prise par Anthony Ayiomamitis, un amateur d'astronomie athénien. Il a pris une photographie du soleil environ une fois par semaine pendant une année, exactement au même endroit et à la même heure (dans ce cas 12 h 18), son appareil photo étant fixé dans la même position. S’il avait pris les photographies plus tôt dans la journée, l’analemme aurait été incliné vers la gauche.

Les positions du soleil dans le ciel de juin et de juillet se trouvent en haut et les positions de décembre et de janvier se situent en bas de la photographie.

Pour résumer

Les effets combinés de l’inclinaison et de la forme de l’orbite entraînent l’analemme qui, à son tour, nous permet de comprendre pourquoi le soleil se couche le plus tôt début décembre et se lève le plus tard fin janvier. L’analemme de l’hémisphère nord obtenu tôt le matin (en observant la position du soleil à la même heure tôt chaque matin) est incliné à gauche tandis que celui de la fin d’après-midi est incliné vers la droite. Le site Web créé par John Holtz propose des schémas détaillés des positions du soleil lorsqu'il se lève le plus tard et se couche le plus tôt. Ces schémas se trouvent vers la fin de la page Web. Pour les consulter, vous devez donc faire défiler la page. 

Avez-vous envie de savoir à quoi l'analemme ressemble chez vous ? Cela n’est pas difficile. Il suffit d'utiliser soit la lumière réfléchie, soit une ombre ordinaire à la place d'un appareil photo. Etant donné que ce projet dure un an, il vous sera peut-être plus facile de travailler à l’intérieur, selon le climat environnant. Si vous vivez à un endroit où il neige ou pleut rarement, vous préférerez peut-être travailler à l'extérieur. Nous vous conseillons de lire toutes les instructions pour les deux projets et de décider ensuite de l’approche qui vous convient le mieux, en fonction de votre climat et de votre environnement.

Lisez attentivement les instructions du projet en intérieur et du projet en extérieur, puis commencez à tracer le graphique de votre analemme local.

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