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Variations de l'éclairement de la Terre suivant les saisons
31/08/2002
Résumé
Animation représentant le mouvement de la Terre autour du Soleil au cours de l'année, qui permet de visualiser l'orientation des rayons du Soleil et le flux lumineux arrivant sur Terre en fonction de la saison.
Table des matières
Cette animation représente le mouvement de la Terre autour du Soleil au cours de l'année. Elle permet de visualiser l'orientation des rayons du Soleil et le flux lumineux arrivant sur Terre en fonction de la saison. Outre l'animation, un texte explicatif présente quelques applications possibles en relation avec le mouvement de la Terre, et un bref survol (associé à des liens pour ceux qui souhaitent en savoir plus) de l'origine des climats.
Animation : variations de l'éclairement de la Terre en fonction des saisons
Pour visualiser ou télécharger l'animation : variations de l'éclairement de la Terre en fonction des saisons
Remarques
La forte inclinaison des rayons solaires aux pôles permet d'expliquer la faiblesse du flux lumineux arrivant au sol (figure en bas à droite), et, par suite, un climat qui reste très froid même pendant l'été. Au contraire, plus on se rapproche de l'équateur, et plus les rayons lumineux sont proches de la verticale.
Le choix qui a été fait ici consiste à prendre un faisceau lumineux de taille constante et à montrer que, selon l'inclinaison des rayons, la taille de la surface terrestre couverte par ce faisceau, et par conséquent le flux lumineux (quantité de luminosité reçue par unité de surface et par seconde) varie. Une autre façon de montrer le même résultat consisterait à choisir une surface constante et à montrer que la largeur du faisceau lumineux qui éclaire cette surface varie.
Au delà des tropiques (représentés sur l'animation et situés à 23°27' de latitude) le Soleil est toujours visible, à midi solaire, vers le sud dans l'hémisphère nord, et vers le nord dans l'hémisphère sud. Cependant, il n'en est pas de même entre les deux tropiques : le Soleil est tantôt visible vers le nord et tantôt vers le sud, avec deux dates dans l'année pour lesquelles il est rigoureusement à la verticale. Deux positions particulières sont faciles à mettre en évidence à l'aide de l'animation : aux solstices, le Soleil est à la verticale de l'un des tropiques; aux équinoxes, il est à la verticale de l'équateur.
Cette animation représente aussi le mouvement de la Lune autour de la Terre. On notera que le plan de rotation de la Lune n'est pas confondu avec le plan de l'écliptique.
Pour aller plus loin...
Calcul d'inclinaison des rayons solaires et applications (mesure de la latitude, etc...)
Le calcul :
On notera φ l'angle que fait l'axe de la Terre (de vecteur directeur noté a) avec les rayons solaires, lorsque n jours se sont écoulés depuis l'équinoxe de printemps. On notera α l'inclinaison de l'axe de la Terre par rapport à la perpendiculaire au plan de l'écliptique (α = 23°27').
Si i est le vecteur directeur situé dans le plan de l'écliptique et pointant vers la position de la Terre à l'équinoxe d'automne, j celui qui pointe vers la position de la Terre au solstice d'hiver, et k le vecteur directeur perpendiculaire au plan de l'écliptique, on a :
a = j sin(α) + k cos(α)
et la direction des rayons solaires est donnée par le vecteur
u = i cos(τ) +j sin(τ) où τ = 360° × n/365 est l'angle formé par les vecteurs u et i
On a alors
cos(φ)=a.u= sin(α) . sin(τ)
Applications :
Est-il possible de déterminer la latitude à l'aide d'un gnomon?
A l'aide d'un gnomon, il est possible de repérer la position de l'ombre d'un bâton vertical au cours d'une journée. Ceci permet d'en déduire l'inclinaison des rayons du Soleil à midi solaire (heure où l'ombre est la plus courte). Cette valeur, cependant, n'est égale à la latitude qu'aux équinoxes. Les autres jours de l'année, il est possible de vérifier la cohérence des résultats obtenus en reliant l'inclinaison des rayons solaires à la latitude λ et à l'angle φ (un schéma rapide suffit à obtenir cette relation).
Durée de la nuit polaire à Barrow, en Alaska ( 72,5° de latitude nord) :
pour que ce soit la nuit polaire à Barrow, il faut que 72,5° > φ, soit cos(72,5°) < cos(φ) = sin(τ) sin(α) et, par suite 49° < τ < 131° soit un nombre de jours de nuit polaire : n = 365 × 82°/360° = 83 jours de nuit polaire!
Dates de passage du Soleil à la verticale de Dakar (zone intertropicale, 15° de latitude nord) :
le Soleil est à la verticale lorsque φ=90°+15° soit τ = - 41° ou -139°, soit 41 jours avant l'équinoxe d'automne : à peu près le 13 août en 2002 ou 141 jours avant l'équinoxe d'automne : à peu près le 5 mai en 2002
L'analyse du mouvement de la Terre suffit-elle à décrire le climat (c'est-à-dire la température, la pluviométrie, etc... en un point donné de la Terre)?
L'étude du mouvement de la Terre permet seulement de déterminer la valeur du flux lumineux arrivant sur les hautes couches de l'atmosphère en un point donné et pour un jour donné : or, ceci est très insuffisant pour décrire les phénomènes climatiques. En effet, les facteurs qu'il convient de prendre en compte pour décrire les climats sont multiples : il y a, bien entendu, la valeur du flux lumineux incident, mais aussi l'albédo (qui décrit l'écart à la loi d'émissivité du corps noir), l'effet de serre, les mouvements des masses d'air et les mouvements des masses d'eau (par exemple le Gulf Stream) : autant de facteurs que l'étude du mouvement de la Terre seul ne permet pas de déterminer.
Pour citer cet article :
Animation sur les variations de l'éclairement de la Terre en fonction des saisons, Pierre Seille, Gabrielle Bonnet, août 2002. CultureSciences Physique - ISSN 2554-876X, https://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/anim_eclairement.xml
