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2 A quoi sert midi (dans l’année)

Non content de fixer un point de repère commun dans la journée, midi permet également de fixer quatre points de repères dans l’année : les jours de changement des saisons.

gnomon

Notre gnomon tout simple n’est pas seulement une horloge :

c’est aussi un calendrier.


La Terre tourne autour du soleil

Contrairement à la croyance persistante, les saisons ne correspondent pas au fait que la Terre, ayant une orbite elliptique, chaufferait en se rapprochant du soleil et refroidirait en s’éloignant. Dans ce cas, l’hiver arriverait en même temps pour  toute la planète : or nous savons bien  que l’hiver dans l’hémisphère Nord correspond à l’été dans l’hémisphère Sud.

De nos jours, la Terre est au plus près du soleil (au périhélie de son orbite) début janvier : de ce fait l’hiver boréal devait être légèrement plus chaud que l’hiver austral (en juillet), mais il faut tenir compte aussi de l’influence inverse de la surface des océans, bien plus importante dans l’hémisphère Sud.

Si la distance de la terre au soleil à une influence, faible et complexe, sur le climat, elle n’a rien à voir avec le mécanisme même des changements de saison.


La Terre tourne sur elle-même

Le mécanisme des saisons tient en fait à une seule chose : le fait que l’axe Nord-Sud – selon lequel la terre tourne sur elle-même –  n’est pas perpendiculaire au plan selon lequel elle tourne autour du soleil (plan de l’écliptique). Cet axe est incliné de 23°26″ » (de nos jours) et se translate tout au long de l’année parallèlement à lui-même.

On comprend alors qu’en deux points opposés de l’orbite, l’axe se trouvera incliné dans le plan des rayons solaires ; l’inégalité entre des deux hémisphères sera alors à son comble, celui qui présente son Pôle au soleil aura l’ensoleillement maximal et les journées les plus longues : ce sont les solstices d’été et d’hiver.

En deux autres points  intermédiaires, l’axe se trouvera incliné dans un plan perpendiculaire aux rayons : son inclinaison n’aura donc plus aucun rôle dans l’ensoleillement, les deux hémisphères seront à parfaite égalité,  le jour et la nuit auront la même durée de douze heures en tous les points du globe : ce sont les équinoxes de printemps et d’automne.


Le soleil tourne autour de la Terre

La vision héliocentrique satisfait l’esprit, mais elle ne nous dit pas où le soleil va se lever demain matin, derrière le poirier ou derrière le cerisier. Ni si la table de l’apéro sera encore dans l’ombre à midi. Pour répondre à ces importantes questions, il nous faut passer en vision géocentrique, ce qui n’est pas si évident.

Heureusement, nous disposons en nue propriété d’une petite partie de l’axe de rotation de la Terre : la méridienne, que l’ombre du bâton nous a permis de tracer (voir A quoi sert midi dans la journée) , et qui nous donne ponctuellement  le midi solaire chaque jour.


La sphère céleste

Si nous avons la curiosité de sortir plusieurs nuits de suite et à des heures différentes pour admirer notre méridienne, nous constaterons qu’il y a au dessus-d’elle une étoile qui ne bouge pas, tandis que toutes les autres étoiles tournent en permanence. Pour pouvoir retrouver facilement cette étoile fixe, nous inclinerons dans sa direction le piquet qui nous a servi à tracer la méridienne.

En pensant en babylonien, nous dirons que la sphère céleste tourne autour d’un axe qui passe par l’Etoile Polaire.

Manière géocentrique de traduire l’énoncé héliocentrique : l’axe de la Terre se translate toute l’année parallèlement à lui-même.


La trajectoire apparente du soleil

Le soleil décrit dans le ciel une trajectoire en arc de cercle. Puisque toutes les étoiles décrivent des cercles autour de l’Etoile Polaire, le soleil doit aussi décrire un arc de cercle de la même famille. Pour le vérifier, utilisons notre piquet, qui de jour comme de nuit nous indique la direction de l’Etoile Polaire, et fichons un carton sur le piquet. Si le carton est bien perpendiculaire  au piquet, l’ombre de l’extrémité tracera un cercle parfait, centré sur le trou de passage. En été, lorsque le soleil est haut, le cercle sera plus petit ; en hiver il sera plus grand : le soleil tourne dans un plan perpendiculaire au piquet.

Puisque le soleil décrit un cercle, les rayons qui passent par l’extrémité du piquet décrivent un cône : si le carton sur lequel se projette l’ombre n’est pas perpendiculaire au piquet, le lieu de l’ombre ne sera plus un cercle, mais un arc d’hyperbole : c’est ce que nous avons observé lorsque, pour trouver la méridienne, nous avons tracé sur le sol la courbe de l’ombre du gnomon.


Le soleil selon la saison

Représentons-nous la sphère céleste comme une énorme saladier posé à l’envers sur notre jardin, et regardons en direction du Sud. La trajectoire du soleil est un cercle tracé en oblique sur le saladier, qui part le matin sur notre  gauche (vers l’Est), passe au plus haut en face de nous,   et se termine le soir sur la droite (vers l’Ouest).   Puisque le soleil tourne toujours autour de l’axe polaire, les différents cercles qu’il va tracer sur le saladier tout au long de l’année sont tous parallèles entre eux, comme sur une tomate tranchée.

Au solstice d’hiver, la tranche est la plus basse, donc la plus courte de l’année : les points de départ et d’arrivée sont en avant de nous, rapprochés de part et d’autre du Sud.

En avançant vers le printemps, la trajectoire s’élève, donc les extrémités gauche et droite reculent et s’écartent : à l’équinoxe de printemps, le soleil se lève exactement à notre gauche (l’Est) et se couche à notre  droite (l’Ouest). Ceci correspond, en vision héliocentrique, au moment où le soleil est perpendiculaire à l’équateur terrestre (donc au zénith, pour un habitant de l’équateur).

Puis la trajectoire apparente continue de s’élever jusqu’au solstice d’été et les points de départ et d’arrivée reculent derrière nous, vers le Nord-Est et le Sud-Ouest.


Déterminer les équinoxes

Pour trouver le jour de l’équinoxe, il faut tracer à partir de notre piquet la ligne perpendiculaire à la méridienne, qui nous donnera donc l’Est et l’Ouest géographiques : le jour des équinoxes, le soleil se présentera sur cet axe, et l’ombre du piquet ne décrira plus une hyperbole, mais se projettera toute la journée sur cette droite. La méthode est assez peu précise, à cause de la réfraction au niveau de l’horizon, qui crée une incertitude sur le moment du lever et du coucher.

De plus les équinoxes sont déterminés par la position de la terre par rapport au soleil, non par sa rotation sur elle même : il n’y a donc aucune raison pour que leur moment précis coïncide avec le lever ou le coucher du soleil dans votre jardin.

Là encore, c’est midi solaire qui va tirer d’embarras les astronomes : en mesurant tous les jours la hauteur du soleil à midi avec une lunette dite « méridienne » (c’est à dire mobile uniquement dans le plan Nord-Sud), il vont trouver, par interpolation, le moment précis où le soleil a traversé l' »équateur » céleste.


Déterminer les solstices

Les  solstices correspondent au jour où, sur l’horizon, le mouvement des points de lever et de coucher s’inverse : ils cessent de se rapprocher l’un de l’autre (solstice d’hiver) ou de s’écarter (solstice d’été).

Nous sommes confrontés ici à une double imprécision : celle de mesurer des points à l’horizon (comme pour l’équinoxe), et celle de l’effet de plateau lorsqu’insensiblement un mouvement s’inverse (la plage d’inversion s’étale ici sur plusieurs jours, tout comme la plage de culmination journalière s’étale sur deux heures).


La bonne méthode, celle de Ptolémée, consiste à se placer à midi (pour lever les imprécisions sur l’horizon) et à élargir le problème. On mesure la hauteur du soleil à midi sur une vingtaine de jours avant et après le solstice, jusqu’à ce qu’on tombe sur deux jours (en dehors du plateau) où la hauteur apparente est identique : le solstice tombe pile entre ces deux dates (avec une précision de 6 heures).


Leçons

  • Pour comprendre les saisons, il faut réfléchir en copernicien, et regarder en babylonien.

  • Passer du point de vue héliocentrique au point de vue géocentrique fait mal à la tête : notre cerveau n’est pas conçu pour regarder en même temps la grande roue depuis la foire, et la foire depuis la grande roue.

  • Le soleil se déplace sur un saladier renversé, selon les tranches d’une tomate.

  • La chasse aux équinoxes et aux solstices est comme la chasse aux canards : mieux vaut viser haut que bas, et tirer large qu’étroit.

 

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