4.2 : Les saisons
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Décrire comment l'inclinaison de l'axe de la Terre provoque les saisons
- Expliquer comment les différences saisonnières sur Terre varient en fonction de la latitude
L'un des faits fondamentaux de la vie aux latitudes moyennes de la Terre, où vivent la plupart des lecteurs de ce livre, est que la chaleur que nous recevons du Soleil varie considérablement au cours de l'année. Nous divisons ainsi l'année en saisons, chacune ayant sa propre quantité d'ensoleillement. La différence entre les saisons s'accentue à mesure que l'on s'éloigne au nord ou au sud de l'équateur, et les saisons de l'hémisphère sud sont à l'opposé de celles que l'on trouve dans la moitié nord de la Terre. En gardant ces faits observés à l'esprit, demandons-nous quelles sont les causes des saisons.
Beaucoup de gens pensent que les saisons sont le résultat de l'évolution de la distance entre la Terre et le Soleil. Cela semble raisonnable au premier abord : il devrait faire plus froid lorsque la Terre est plus éloignée du Soleil. Mais les faits ne confirment pas cette hypothèse. Bien que l'orbite de la Terre autour du Soleil soit une ellipse, sa distance par rapport au Soleil ne varie que d'environ 3 %. Cela ne suffit pas à provoquer des variations importantes de l'échauffement du soleil. Pire encore pour les habitants d'Amérique du Nord qui soutiennent cette hypothèse, la Terre est en fait la plus proche du Soleil en janvier, alors que l'hémisphère nord est en plein hiver. Et si la distance était le facteur déterminant, pourquoi les deux hémisphères connaîtraient-ils des saisons opposées ? Comme nous allons le montrer, les saisons sont en fait causées par l'inclinaison de 23,5° de l'axe de la Terre.
Les saisons et le soleil
La figure\(\PageIndex{1}\) montre la trajectoire annuelle de la Terre autour du Soleil, l'axe de la Terre étant incliné de 23,5°. Notez que notre axe continue de pointer dans la même direction dans le ciel tout au long de l'année. Alors que la Terre fait le tour du Soleil, en juin, l'hémisphère nord « se penche » contre le Soleil et est illuminé plus directement. En décembre, la situation est inversée : l'hémisphère sud se penche vers le soleil et l'hémisphère nord vers l'extérieur. En septembre et mars, la Terre s'incline « latéralement », ni vers le Soleil ni vers l'extérieur, de sorte que les deux hémisphères sont également favorisés par le soleil.
Comment le fait que le Soleil privilégie un hémisphère se traduit-il par le fait qu'il nous réchauffe à la surface de la Terre ? Il y a deux effets que nous devons prendre en compte. Lorsque nous nous penchons sur le Soleil, la lumière du soleil nous frappe à un angle plus direct et réchauffe plus efficacement la surface de la Terre (Figure\(\PageIndex{2}\)). Vous pouvez obtenir un effet similaire en projetant une lampe de poche sur un mur. Si vous allumez la lampe de poche directement, vous obtenez un point de lumière intense sur le mur. Mais si vous maintenez la lampe de poche inclinée (si le mur « se penche » vers l'extérieur du faisceau), le point lumineux est plus étalé. Comme la lumière directe, la lumière du soleil en juin est plus directe et plus intense dans l'hémisphère nord, et donc plus efficace pour le chauffage.
Le second effet est lié à la durée pendant laquelle le soleil passe au-dessus de l'horizon (Figure\(\PageIndex{3}\)). Même si vous n'avez jamais pensé à l'astronomie auparavant, nous sommes certains que vous avez remarqué que les heures de lumière du jour augmentent en été et diminuent en hiver. Voyons pourquoi cela se produit.
Comme nous l'avons vu dans Observing the Sky : The Birth of Astronomy, une façon équivalente d'observer notre trajectoire autour du Soleil chaque année est de prétendre que le Soleil se déplace autour de la Terre (sur un cercle appelé écliptique). Comme l'axe de la Terre est incliné, l'écliptique est inclinée d'environ 23,5° par rapport à l'équateur céleste (voir la figure\(2.1.6\)). Par conséquent, l'endroit où nous voyons le soleil dans le ciel change au fil de l'année.
En juin, le Soleil se trouve au nord de l'équateur céleste et passe plus de temps avec ceux qui vivent dans l'hémisphère nord. Il s'élève haut dans le ciel et se trouve au-dessus de l'horizon aux États-Unis pendant 15 heures. Ainsi, le soleil nous réchauffe non seulement avec des rayons plus directs, mais il a également plus de temps pour le faire chaque jour. (Remarquez sur la figure\(\PageIndex{3}\) que le gain de l'hémisphère nord est la perte de l'hémisphère sud. Là, le soleil de juin est bas dans le ciel, ce qui signifie moins d'heures de clarté. Au Chili, par exemple, le mois de juin est une période plus froide et plus sombre.) En décembre, lorsque le Soleil se trouve au sud de l'équateur céleste, la situation est inversée.
Voyons à quoi ressemble l'éclairage solaire sur Terre à certaines dates précises de l'année, lorsque ces effets sont maximaux. Le 21 juin ou vers cette date (date à laquelle les habitants de l'hémisphère nord appellent le solstice d'été ou parfois le premier jour de l'été), le soleil brille le plus directement sur l'hémisphère nord de la Terre. Il apparaît à environ 23° au nord de l'équateur et, à cette date, il passe par le zénith des endroits de la Terre situés à 23° de latitude nord. La situation est illustrée en détail sur la figure\(\PageIndex{4}\). Pour une personne à 23° N (près d'Hawaï, par exemple), le soleil se trouve directement au-dessus de la tête à midi. Cette latitude, où le Soleil peut apparaître au zénith à midi le premier jour de l'été, est appelée le tropique du cancer.
Nous voyons également sur la figure\(\PageIndex{4}\) que les rayons du soleil brillent tout autour du pôle Nord au solstice. Lorsque la Terre tourne sur son axe, le pôle Nord est illuminé en permanence par le Soleil ; tous les endroits situés à moins de 23° du pôle sont ensoleillés pendant 24 heures. À cette date, le Soleil se trouve aussi loin au nord que possible ; ainsi, 90 à 23° (ou 67° N) est la latitude la plus méridionale où l'on peut observer le Soleil pendant 24 heures (parfois appelée le « pays du soleil de minuit »). Ce cercle de latitude s'appelle le cercle polaire arctique.
De nombreuses cultures anciennes organisaient des événements spéciaux autour du solstice d'été pour célébrer les jours les plus longs et remercier leurs dieux d'avoir réchauffé le temps. Cela obligeait les gens à suivre la durée des journées et la randonnée du soleil vers le nord afin de déterminer le bon jour pour la « fête ». (Vous pouvez faire de même en observant pendant plusieurs semaines, à partir du même point d'observation, le lever ou le coucher du soleil par rapport à un point de repère fixe. Au printemps, le Soleil se lèvera de plus en plus au nord de l'est et se couchera de plus en plus au nord à l'ouest, atteignant son maximum autour du solstice d'été.)
Maintenant, regardez le pôle Sud dans la figure\(\PageIndex{4}\). Le 21 juin, tous les endroits situés à moins de 23° du pôle Sud, c'est-à-dire au sud de ce que nous appelons le cercle Antarctique, ne voient pas du tout le soleil pendant 24 heures.
La situation est inversée 6 mois plus tard, vers le 21 décembre (date du solstice d'hiver, ou le premier jour de l'hiver dans l'hémisphère nord), comme le montre la figure\(\PageIndex{5}\). Maintenant, c'est le cercle arctique qui a la nuit de 24 heures et le cercle Antarctique qui a le soleil de minuit. À 23° de latitude S, appelée tropique du Capricorne, le Soleil passe au zénith à midi. Les jours sont plus longs dans l'hémisphère sud et plus courts dans le nord. Aux États-Unis et dans le sud de l'Europe, il peut n'y avoir que 9 ou 10 heures d'ensoleillement par jour. C'est l'hiver dans l'hémisphère nord et l'été dans l'hémisphère sud.
Exemple\(\PageIndex{1}\) : variations saisonnières
Comme vous pouvez le voir sur la figure\(\PageIndex{4}\), le tropique du cancer est la latitude à laquelle le Soleil se trouve directement au-dessus de la tête au solstice d'été. À ce moment, le Soleil se trouve à une déclinaison de 23° N par rapport à l'équateur céleste, et la latitude correspondante sur Terre est de 23° N de l'équateur. Si la Terre était légèrement inclinée, le tropique du Cancer se trouverait à une latitude plus basse, plus proche de l'équateur.
Le cercle arctique marque la latitude la plus méridionale pour laquelle la durée du jour est de 24 heures le jour du solstice d'été. Il est situé entre 90° et 23° = 67° N de l'équateur de la Terre. Si la Terre était légèrement inclinée, le cercle polaire arctique se déplacerait plus au nord. À la limite à laquelle la Terre n'est pas du tout inclinée (son axe est perpendiculaire à l'écliptique), le tropique du Cancer se trouverait juste sur l'équateur de la Terre et le cercle arctique serait simplement le pôle Nord. Supposons que l'inclinaison de l'axe de la Terre ne soit inclinée que de 5°. Quel en serait l'effet sur les saisons et les emplacements du tropique du Cancer et du cercle polaire arctique ?
Solution
Si la Terre était moins inclinée, les saisons seraient moins extrêmes. La variation de la durée du jour et de la lumière directe du soleil serait très faible au cours de l'année, et la trajectoire quotidienne du Soleil dans le ciel ne varierait pas beaucoup. Si la Terre était inclinée de 5°, la position du Soleil le jour du solstice d'été serait à 5° N de l'équateur céleste, de sorte que le tropique du Cancer se trouverait à la latitude correspondante sur Terre de 5° N de l'équateur. Le cercle arctique serait situé entre 90° et 5° = 85° N de l'équateur.
Exercice\(\PageIndex{1}\)
Supposons que l'inclinaison de l'axe de la Terre soit de 16°. Quelle serait alors la différence de latitude entre le cercle polaire arctique et le tropique du Cancer ? Quel serait l'effet sur les saisons par rapport à celui produit par l'inclinaison réelle de 23° ?
Réponse-
Le tropique du Cancer se trouve à une latitude égale à l'inclinaison de la Terre, donc dans ce cas, il se situerait à 16° de latitude N. Le cercle arctique se trouve à une latitude égale à 90° moins l'inclinaison de la Terre, ou 90° — 16° = 74°. La différence entre ces deux latitudes est de 74° — 16° = 58°. Comme l'inclinaison de la Terre est moindre, il y aurait moins de variations dans l'inclinaison de la Terre et moins de variations dans les trajectoires du Soleil tout au long de l'année, de sorte que les changements saisonniers seraient plus légers.
Vous pouvez voir une animation de la trajectoire du soleil au fil des saisons, ainsi qu'une vue accélérée de la lumière et de l'ombre grâce à une caméra installée sur le campus de l'université du Nebraska.
De nombreuses cultures qui se sont développées à une certaine distance au nord de l'équateur organisent une fête autour du 21 décembre pour aider les gens à faire face au manque déprimant de soleil et aux températures souvent dangereusement froides. À l'origine, c'était souvent l'occasion de se blottir avec la famille et les amis, de partager les réserves de nourriture et de boissons et de pratiquer des rituels demandant aux dieux de rendre la lumière et la chaleur et de renverser le cycle des saisons. De nombreuses cultures ont construit des dispositifs élaborés pour anticiper le jour le plus court de l'année. Le Stonehenge en Angleterre, construit bien avant l'invention de l'écriture, est probablement l'un de ces appareils. Pendant notre temps libre, nous perpétuons la tradition du solstice d'hiver avec diverses fêtes autour de cette date de décembre.
À mi-chemin entre les solstices, vers le 21 mars et le 21 septembre, le Soleil se trouve sur l'équateur céleste. Depuis la Terre, il apparaît au-dessus de l'équateur de notre planète et ne favorise aucun des deux hémisphères. Chaque endroit de la Terre reçoit alors environ 12 heures de soleil et 12 heures de nuit. Les points où le Soleil traverse l'équateur céleste sont appelés équinoxes printaniers (printemps) et automnaux (automne).
Les saisons à différentes latitudes
Les effets saisonniers sont différents selon les latitudes de la Terre. Près de l'équateur, par exemple, toutes les saisons sont à peu près les mêmes. Chaque jour de l'année, le soleil se lève la moitié du temps, donc il y a environ 12 heures de soleil et 12 heures de nuit. Les habitants définissent les saisons en fonction de la quantité de pluie (saison humide et saison sèche) plutôt que de la quantité de lumière solaire. Lorsque nous voyageons vers le nord ou le sud, les saisons s'accentuent, jusqu'à ce que nous atteignions des cas extrêmes dans l'Arctique et l'Antarctique.
Au pôle Nord, tous les objets célestes situés au nord de l'équateur céleste se trouvent toujours au-dessus de l'horizon et, lorsque la Terre tourne, tournent en cercle parallèlement à celui-ci. Le Soleil se trouve au nord de l'équateur céleste du 21 mars au 21 septembre environ. Ainsi, au pôle Nord, le Soleil se lève lorsqu'il atteint l'équinoxe de printemps et se couche lorsqu'il atteint l'équinoxe d'automne. Chaque année, il y a 6 mois d'ensoleillement à chaque pôle, suivis de 6 mois d'obscurité.
Exemple\(\PageIndex{2}\) : La position du soleil dans le ciel
Les coordonnées du Soleil sur la sphère céleste vont d'une déclinaison de 23° N de l'équateur céleste (ou +23°) à une déclinaison de 23° S de l'équateur céleste (ou —23°). Ainsi, l'altitude du Soleil à midi, lorsqu'il franchit le méridien, varie au total de 46°. Quelle est l'altitude du Soleil à midi le 21 mars, vue d'un point de l'équateur de la Terre ? Quelle est son altitude le 21 juin, vue depuis l'équateur de la Terre ?
Solution
Sur l'équateur de la Terre, l'équateur céleste passe par le zénith. Le 21 mars, le Soleil traverse l'équateur céleste, il devrait donc être trouvé au zénith (90°) à midi. Le 21 juin, le Soleil se trouve à 23° N de l'équateur céleste, il se trouvera donc à 23° du zénith à midi. L'altitude au-dessus de l'horizon sera inférieure de 23° à l'altitude du zénith (90°), donc elle se situera entre 90° et 23° = 67° au-dessus de l'horizon.
Exercice\(\PageIndex{2}\)
Quelle est l'altitude du Soleil à midi le 21 décembre, vue d'un endroit situé sur le tropique du Cancer ?
- Réponse
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Le jour du solstice d'hiver, le Soleil se trouve à environ 23° S de l'équateur céleste. À partir du tropique du Cancer, une latitude de 23° N, le zénith serait une déclinaison de 23° N. La différence de déclinaison entre le zénith et la position du Soleil est de 46°, donc le Soleil se trouverait à 46° du zénith. Cela signifie qu'il se trouverait à une altitude de 90° à 46° = 44°.
Clarifications sur le monde réel
Au cours de nos discussions jusqu'à présent, nous avons décrit le lever et le coucher du Soleil et des étoiles tels qu'ils apparaîtraient si la Terre avait peu ou pas d'atmosphère. En réalité, cependant, l'atmosphère a l'effet curieux de nous permettre de voir un petit chemin « au-delà de l'horizon ». Cet effet est le résultat de la réfraction, de la flexion de la lumière traversant l'air ou l'eau, ce dont nous parlerons dans Astronomical Instruments. En raison de cette réfraction atmosphérique (et du fait que le Soleil n'est pas un point lumineux mais un disque), le Soleil semble se lever plus tôt et se coucher plus tard que s'il n'y avait pas d'atmosphère.
De plus, l'atmosphère diffuse la lumière et fournit un éclairage au crépuscule même lorsque le soleil se trouve sous l'horizon. Les astronomes définissent le crépuscule matinal comme commençant lorsque le Soleil se trouve à 18° sous l'horizon, et le crépuscule nocturne s'étend jusqu'à ce que le Soleil se couche à plus de 18° sous l'horizon.
Ces effets atmosphériques nécessitent de légères corrections dans bon nombre de nos déclarations concernant les saisons. Lors des équinoxes, par exemple, le Soleil semble être au-dessus de l'horizon pendant quelques minutes de plus que 12 heures, et sous l'horizon pendant moins de 12 heures. Ces effets sont particulièrement spectaculaires aux pôles de la Terre, où l'on peut observer le Soleil plus d'une semaine avant d'atteindre l'équateur céleste.
Vous savez sans doute que le solstice d'été (21 juin) n'est pas le jour le plus chaud de l'année, même s'il est le plus long. Les mois les plus chauds de l'hémisphère nord sont juillet et août. En effet, notre climat implique l'air et l'eau recouvrant la surface de la Terre, et ces grands réservoirs ne se réchauffent pas instantanément. Vous avez probablement observé cet effet par vous-même ; par exemple, un étang ne se réchauffe pas au moment où
Le soleil se lève mais il fait le plus chaud en fin d'après-midi, une fois qu'il a eu le temps d'absorber la chaleur du soleil. De la même manière, la Terre se réchauffe lorsqu'elle a eu l'occasion d'absorber la lumière solaire supplémentaire que le Soleil nous offre en été. Et les périodes les plus froides de l'hiver se situent un mois ou plus après le solstice d'hiver.
Concepts clés et résumé
Le cycle familier des saisons résulte de l'inclinaison de 23,5° de l'axe de rotation de la Terre. Au solstice d'été, le Soleil est plus haut dans le ciel et ses rayons frappent la Terre plus directement. Le soleil est dans le ciel pendant plus de la moitié de la journée et peut chauffer la Terre plus longtemps. Au solstice d'hiver, le soleil est bas dans le ciel et ses rayons apparaissent sous un angle plus large ; de plus, il est debout pendant moins de 12 heures, de sorte que ces rayons ont moins de temps pour se réchauffer. Aux équinoxes de printemps et d'automne, le Soleil se trouve sur l'équateur céleste et nous recevons environ 12 heures de jour et de nuit. Les saisons sont différentes selon les latitudes.
Notes
1 Notez que les dates indiquées pour les solstices et les équinoxes sont approximatives ; selon les années, elles peuvent survenir un jour ou deux plus tôt ou plus tard.