III- Les saisons
1) Direction fixe de l'axe des pôles
Sur l'animation ci-contre, on voit qu'une toupie laissée à elle-même dans l'espace a son axe de rotation qui garde une direction fixe.
Tel est le cas de la Terre qui tourne autour du Soleil. On peut considérer qu'elle est en permanence en chute libre vers le Soleil, comme tout objet attiré
par un centre attracteur. Or Einstein a montré que la physique dans un objet en chute libre est exactement la même que si l'objet
était placé dans un endroit
où toute gravitation est exclue (principe d'équivalence entre l'inertie et la gravitation). D'autre part, la Terre peut être considérée comme une toupie,
puisqu'elle tourne sur elle-même.
L'axe de la Terre garde donc une direction fixe par rapport aux étoiles lointaines, et cela
peut se vérifier par l'observation en constatant qu'au cours de l'année, l'étoile polaire reste toujours étoile polaire, donc dans la direction de l'axe
des pôles
Le système Terre-Lune lui-même, peut être considéré comme une toupie dont l'axe de rotation garde une direction fixe.
Le
plan de rotation de la Lune autour de la Terre reste donc parallèle à lui-même, ce qui entraîne que les éclipses ont lieu tous les six mois.
2) Obliquité de l'écliptique
La Terre tourne autour du Soleil dans un plan, appelé plan de l'écliptique, car
c'est quand la Lune est dans ce plan que les éclipses ont
lieu. Ce plan est oblique par rapport au plan de l'équateur, d'où le terme obliquité de l'écliptique. Autrement dit, l'axe des pôles esr incliné
de 23°26' ou 23,5° par rapport à la perpendiculaire au plan de l'écliptique. Ce phénomène est à l'origine des saisons, car on voit
sur
l'animation jointe,
que suivant les moments de l'année (la Terre tourne autour du Soleil en un an), le pôle Nord par exemple, est éclairé ou non.
La Terre monte "au dessus" du Soleil l'hiver et descend "en dessous" du Soleil l'été (dessus et dessous fond référence à la maquette).
On le voit également sur
l'animation vue de dessus.
3) Déclinaison du Soleil On voit sur
la première animation
que la direction du Soleil fait un angle variable avec le plan de l'équateur. Cet angle est appelé la déclinaison du Soleil. Le mécanisme des saisons peut
donc s'expliquer en disant que le Soleil monte au dessus du plan de l'équateur l'été, et descend au dessous du plan de l'équateur l'hiver. Ces positions
sont repérées par la déclinaison du Soleil, qui est maximale aux solstices (nord ou sud) et vaut zéro aux équinoxes
(le Soleil est dans le plan de l'équateur). On comprends alors pourquoi dans
l'animation sur la sphère céleste, le Soleil, qui est vu dans ce cas depuis la Terre
considérée comme fixe, monte ou descend sur la sphère
céleste quand on change la date. Quand la saison varie, le Soleil s'éloigne donc ou se rapproche, en direction, de l'étoile polaire.
On vérifie cela sur
l'animation planétarium. Il faut cliquer sur
Voir le Ciel, puis,
si le Soleil n'apparaît pas, déplacer le curseur
Heure, puis, une fois que le Soleil est là, déplacer le curseur
Date. On voit que le Soleil
se déplace parmi les constellations du zodiaque. En effet, la Terre tournant autour du Soleil, de la Terre, le Soleil est vu devant des constellations
différentes suivant les différents moments de l'année. Ces douze constellations du zodiaque (comme les douze mois de l'année) sont les constellations
situées dans le plan de l'écliptique. Enfin, on vérifie qu'au cours de ce mouvement, sur la ligne bleue qu'on appelle aussi
écliptique, le Soleil
se rapproche puis s'éloigne de l'étoile polaire. La ligne verte correspond à l'équateur céleste, ensemble des points à l'infini situés dans le plan de
l'équateur. L'inclinaison de l'axe des pôles se traduit ici par le fait que les deux lignes
écliptique et
équateur céleste ne sont
pas confondues.
En ce moment, on voit que l'été , le Soleil est dans la constellation des Gémeaux. Ceci tout simplement
parce que l'axe des pôles pointe par le nord, vers cette constellation
de l'écliptique.
Or l'axe des pôles tourne lentement en environ 26000 ans autour de la direction
perpendiculaire au plan de l'écliptique à cause des perturbations gravitationnelles de la Lune et du Soleil
(précession des équinoxes, due à l'action de redressement par effet de marée du bourrelet
équatorial de la Terre vers le plan de l'écliptique). Une toupie posée de travers sur une table précesse aussi pour
une raison identique (là c'est le poids agissant de travers qui est à l'origine du phénomène). Il y a 2000 ans, quand Hipparque a créé
l'astrologie, le pôle Nord pointait vers la constellation du Cancer; c'est pourquoi quelqu'un qui est né l'été, est du point de vue de
l'astrologie dans la constellation du Cancer, alors qu'en fait, quand cette personne est née, le Soleil était dans la constellation des Gémeaux.
L'astrologie n'a donc aucun sens. Mais c'est de là que viennent les noms de tropique du Cancer et tropique du Capricorne.
4) Saisons astronomiques
Il est facile de voir sur l'animation
"sphère céleste" que l'été,
la durée du jour est plus grande, et le Soleil monte plus haut dans le ciel.
Ces deux effets sont à l'origine de la plus grande température l'été. Quand le Soleil est plus haut, il chauffe plus ardemment, car sa lumière
se disperse sur une plus petite surface. De plus, le trait horizontal délimitant la partie supérieure de l'atmosphère, d'altitude environ 10 km,
on observe que h > e. La lumière du Soleil est plus atténuée quand il est bas sur l'horizon, car elle est
aborbée par une plus grande épaisseur d'atmosphère. Le Soleil chauffe donc moins lorsqu'il est bas sur l'horizon.
5) Cercles polaires, tropiques
Le cercle polaire arctique délimite l'ensemble des points où
le Soleil ne se lève pas au solstice d'hiver de l'hémisphère nord, et l'ensemble des points où le Soleil ne se couche pas au solstice d'été. Idem,
hémisphère sud, cercle polaire antarctique. Le tropique du Cancer est l'ensemble des points où à midi au Soleil, le jour du solstice d'été, le Soleil
est au zénith. Idem, hémisphère sud, tropique du Capricorne. Les régions tropicales sont les régions entre les deux tropiques. Les régions tempérées,
entre un tropique et le cercle polaire correspondant, les régions polaires, au delà des cercles polaires.
Suite : les cadrans solaires