Techniques d'astronome amateur
Physique et Astrophysique border=

Où se trouve le Soleil à midi ?

J'habite au nord de Marseille et, quand je demande à un voisin où se situe le Soleil à midi, mon interlocuteur me répond qu'il se trouve au sud tout en agitant son bras vers la Bonne Mère pour m'indiquer la direction ("Bonne Mère" est le surnom affectueux que les marseillais donnent à la Basilique Notre Dame de la Garde, c'est une célèbre attraction touristique locale).

A priori on peut penser que cette réponse est correcte mais je vous propose de la vérifier précisément.

Ma maison possède un balcon orienté vers le sud, je vous invite à m'y rejoindre pour notre analyse. Mais tout d'abord, nous devons expliquer exactement de quel midi nous parlons.

Vous avez dit midi ?

Parlons-nous du midi vrai ?
C'est le midi des cadrans solaires, il est indiqué par la position du Soleil au moment où il est le plus haut dans le ciel, c'est à dire quand il passe au méridien. C'est midi à l'heure du Soleil.

Le méridien : C'est le plan qui contient la verticale du lieu et l'axe de rotation de la Terre. Son intersection avec la surface de la Terre définit un grand cercle qui passe par les deux pôles et par le point de la surface considéré.
En astronomie, on considère plutôt son intersection avec la sphère céleste sous la forme du grand cercle de la sphère céleste qui passe par les pôles célestes et par la verticale du lieu.
Bien qu'il nous paraisse fixe, le méridien d'un lieu accompagne la Terre dans sa rotation sur elle-même.

Le temps solaire vrai varie selon le lieu, il n'est donc pas d'un emploi pratique à l'échelle du pays.
Exemple : le midi vrai se produit à Strasbourg environ 49 minutes avant qu'il soit constaté à Brest.
De plus, la vitesse de révolution de la Terre autour du Soleil n'a pas une vitesse constante. Cela signifie que la durée entre deux midis consécutifs n'est pas constante bien que la durée du jour solaire est 24 heures en moyenne.

Le temps solaire vrai n'est jamais utilisé et n'est pas intéressant pour notre expérience.

Les fuseaux horaires

La durée de rotation de la Terre par rapport aux étoiles est 23h 56mn 4s. La figure 1 montre la Terre vue depuis le nord pendant sa révolution autour du Soleil. Elle permet de comprendre qu'il lui faut un peu plus de temps pour se retrouver dans une même orientation par rapport au Soleil. La durée de rotation mesurée par rapport au Soleil vaut 24 heures en moyenne.

Il a été nécessaire de convenir d'une référence de temps mieux adaptée à notre société. Pour cela, on a divisé la surface de la Terre en 24 fuseaux horaires, ce sont des zones étirées d'un pôle à l'autre, à l'intérieur desquelles règne une même heure d'un temps qui s'écoule uniformément.

Les fuseaux horaires. Un clic sur cette image conduit vers l'article de Wikipédia.
Figure 2 : Les fuseaux horaires. Un clic sur cette image conduit vers l'article de Wikipédia.

Les limites de ces fuseaux sont irrégulières car elles sont ajustées aux frontières des pays. Le temps dans chaque fuseau est décalé d'une heure en plus par rapport au fuseau qui le côtoie à l'Ouest. C'est le temps civil.

Le fuseau horaire de référence est celui qui contient l'observatoire de Greenwich. Ce temps de Greenwich est nommé temps universel (il est abusivement désigné "temps GMT" par les journalistes).

Ce temps civil peut être très différent du temps solaire vrai et l'écart varie selon le lieu à l'intérieur d'un faisceau.

Midi du temps civil local

En fin de compte, pour notre expérience, je vous propose d'employer le temps civil local que l'on obtient en ajoutant la longitude du lieu où l'on se trouve au temps universel. C'est donc un temps qui s'écoule uniformément et qui est décalé d'une valeur constante par rapport au temps de référence de Greenwich.

Nous sommes le 1er janvier à midi du temps civil local, vous êtes avec moi sur le balcon et nous contemplons le Soleil. Je vous propose de photographier notre étoile à cet instant.

Ensuite, tout au long de l'année, chaque premier jour du mois à midi du temps civil local, nous revenons au même endroit et nous reprenons une photographie en disposant l'appareil photo exactement comme pour la première photographie.

Il ne reste plus qu'à compositer ces douze clichés afin de les réunir sur une seule image qui montre les positions occupées par le Soleil à midi pour ces différentes dates. C'est ainsi que nous obtenons le cliché de la figure 3.

Soleil à midi Soleil à midi avec légende
Figure 3 : Positions du Soleil à midi du temps civil local photographiées le premier jour de chaque mois depuis le balcon de ma maison.

Ces différentes positions du Soleil se répartissent en dessinant une double boucle, une figure en forme de huit dont la partie supérieure est plus petite que l'autre.

Dans les textes rédigés en anglais, cette figure est souvent nommée "analemma". Sur certains sites web en français, le mot "analemme" est parfois employé mais je ne cautionne pas cet usage. "Analemme" ne figure pas dans mon dictionnaire mais il me semble que c'est un terme technique qui désigne la projection d'une surface sphérique sur un plan. Il ne serait donc pas adapté à la figure que nous étudions ici mais notez bien que sur l'emploi de ce vocabulaire, je n'ai aucune certitude.

Comment se forme cette double boucle ?

Notre photographie composite nous montre que le Soleil n'est presque jamais exactement au sud à midi du temps civil local. Cela arrive seulement vers les 16 avril, 15 juin, 2 septembre et 25 décembre. Les autres jours, il se place un peu vers l'ouest ou vers l'est du méridien. On pourrait dire aussi qu'il arrive au méridien avec un peu d'avance ou de retard.

La plus grande largeur apparente de cette courbe vaut 7°40' (sept degrés et quarante minutes d'arc) et sa hauteur vaut 46°53' c'est à dire deux fois l'inclinaison de l'axe terrestre sur l’écliptique (23°26’21" en 2000,0).

C'est donc l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre qui explique la dimension verticale de cette figure. Cette dimension serait nulle si l'axe de la Terre était perpendiculaire au plan de son orbite (plan de l'écliptique).

Reste à expliquer les dimensions horizontales de cette trace, ce qui revient à justifier le retard et l'avance du Soleil dans sa course contre la montre.

Pour cela nous devons considérer les faits suivants :

Les deux derniers arguments sont liés entre eux et ils sont examinés plus en détail dans la page consacrée aux lois de Kepler et principes de Newton.

La figure 4 est animée, elle représente la Terre se déplaçant sur son orbite autour du Soleil. Il s'agit d'une succession d'images qui la représentent jour après jour à midi du temps civil local pour un lieu dont le méridien contient la flèche qui est attachée à l'image de notre planète. Il y a donc une image par jour.

Le dessin de droite montre l'image correspondante du Soleil dans le ciel à midi du temps civil local, jour après jour.

Quand la Terre est au plus près du Soleil on dit qu'elle est à son périhélie (vers le 4 janvier). A ce moment, sa vitesse orbitale est maximale, donc la rotation de la Terre prend du retard et la position du Soleil à midi du temps civil local glisse vers l'est (vers la gauche).

Ensuite la Terre s'éloigne en se dirigeant vers l'aphélie (distance maximale) et sa rotation rattrape le retard puis prend de l'avance jusqu'à inversion de ce mouvement.

La position excentrée du Soleil explique la différence de taille des deux boucles de la figure. La longueur de la flèche est constante, cela permet de constater la variation de la distance Terre-Soleil.

Ainsi, cette simulation nous montre la correspondance entre la position de la Terre sur son orbite et la position du Soleil dans le ciel à midi du temps civil local.

Position de la Terre sur son orbite et position du Soleil dans le ciel à midi du temps civil local
Figure 4 :

Rotation de la Terre pendant son mouvement orbital autour du Soleil vue depuis le nord.
Le diamètre de la Terre et celui du Soleil sont agrandis pour la clarté de l'image, ils n'ont pas les bonnes proportions par rapport à l'orbite terrestre.

Position du Soleil dans le ciel à midi du temps civil local et vu depuis l'hémisphère nord. Les proportions entre le diamètre du Soleil et les dimensions de la courbe sont respectées.
Les positions, orientations et dates indiquées sur cette animation sont celles de l'année 2014.

Conclusion

L'étude de la position du Soleil à midi du temps civil local nous permet donc de vérifier différentes caractéristiques de l'orbite terrestre avec simplement un appareil photo et une horloge.

Nous avons considéré les positions du Soleil à midi du temps civil local mais nous aurions pu choisir une autre heure (du temps civil local) et nous aurions obtenu la même courbe dans un autre endroit du ciel.

Les raisonnements que je vous ai invités à suivre concernent le Soleil vu depuis l'hémisphère nord (où j'habite). Dans l'hémisphère sud, le spectacle est le même à ceci près que la courbe en huit est renversée. En effet en ces lieux, à midi du temps civil local le Soleil se trouve au nord.

La réalisation de clichés composites comme celui de la figure 3 mérite d'être guidée par une inspiration artistique. Je vous propose d'en découvrir quelques beaux exemples dans les archives des "Astronomy picture of the day" dans le site web de la NASA. Vous les trouverez en faisant une recherche du mot "analemma" dans cette page.

On peut aussi envisager de réaliser une telle photographie composite depuis une autre planète. Voici un résultat obtenu depuis la surface de la planète Mars.

Soleil à midi sur Mars
Figure 5 : Positions du Soleil photographiées depuis la surface martienne à intervalle régulier à la même heure du temps local. Un clic sur cette image conduit vers la page correspondante sur le site de la NASA.

L'orbite et la rotation de la planète Mars se combinent pour former un tracé sensiblement différent de celui que nous avons obtenu sur Terre. Sur Mars il a plutôt la forme d'une goutte d'eau.