Observation de la Lune depuis la Terre, orbite et phases de la Lune

Profitant d'une prise de contact lors d'une formation en ligne à laquelle participaient des enseignants vivant dans plus de 20 pays différents, un groupe a été formé afin de participer à une mission “objectif Lune”. Un voyage a aussi permis à une autre personne de prendre un cliché intéressant à cette même période. Cette mission consistait à suivre photographiquement une même lunaison par des observateurs présents sous diverses latitudes.

Au final, 16 personnes ont pris des clichés d'une ou plusieurs phases lunaires : les phases principales – premier quartier, pleine Lune et dernier quartier – étaient ciblées prioritairement et ont été abondamment photographiées, quelques photographies montrent aussi les phases intermédiaires (croissants et lunes gibbeuses). Parfois plusieurs clichés ont été pris du même endroit, le même jour mais à des heures différentes. Les photographes étaient à des latitudes variant de 45° Nord à 35° Sud et ont utilisé divers appareils allant du smartphone, à l'appareil photographique numérique ”classique”, au télescope “amateur” ou semi-professionnel (les images “brutes” sont inversées par les télescopes, elles doivent être correctement ”redressées” pour avoir une image correspondant à un équivalent d'observation à l'œil nu). Pour les images de nuit, le contraste de luminosité entre la Lune et le ciel obscur a amené certains photographes à réaliser plusieurs clichés avec des temps de pose différents avant de reconstituer une image mettant en valeur le fond (la nuit et ses repères dans le paysage, pose “longue”) et la Lune (pose “courte”).

Toutes les photographies (au nombre de 107) sont intéressantes car, même si elles n'ont pas toutes la même qualité, toutes montrent qu'il est possible de faire des observations utilisables même avec un matériel apparemment “limité”. Il était demandé, dans la mesure du possible, d'avoir au moins une vue avec des repères verticaux (mur, piquet, grue, fenêtre, arbre…) ou éventuellement horizontaux (horizon) afin de s'assurer de la position, de l'inclinaison des images de la Lune. Souvent une vue ”large” (avec repères) était complétée par un zoom dont la vue large atteste l'orientation (ou permet de la “corriger”).

Source - © 2022 D'après Google Earth,modifié Figure 1. Sites d'observation de la mission “objectif Lune” 1/2 On localise ici 10 observateurs, 7 dans l'hémisphère Nord (France métropolitaine, Espagne, Portugal, Guyane) et 3 dans l'hémisphère Sud (Kénya, Mayotte, Madagascar). Au total, sur les 16 sites d'observations, 10 sont au Nord et 6 au Sud. Localisation par fichier kmz de l'ensemble des sites “objectif Lune”.

Source - © 2022 D'après Google Earth,modifié Figure 2. Sites d'observation de la mission “objectif Lune” 2/2 On localise ici 8 observateurs. En plus des 2 déjà localisés dans la figure précédente (Mayotte, Madagascar), 6 nouveaux sont repérés, 3 dans l'hémisphère Nord (Chine, Singapour, Thaïlande) et 3 dans l'hémisphère Sud (Australie, Nouvelle-Calédonie). Au total, sur les 16 sites d'observations, 10 sont au Nord et 6 au Sud.

Toutes les images, une fois sauvegardées, classées, nommées, permettent d'illustrer non seulement une lunaison en divers endroits du globe mais aussi de se rendre compte de phénomènes qui peuvent surprendre un observateur (très) peu averti : oui, on peut voir la Lune, « astre de la nuit », en plein jour ; non, l'arc du croissant de Lune ou de la demi-Lune n'est pas toujours bombé vers la droite, comme un “p” pour le croissant ascendant et le premier quartier (parfois vers la gauche, le haut, le bas, plus ou moins incliné)…

Source - © 2019 D'après VR Figure 3. Fin croissant de Lune ascendant “malgache” Recadrage d'une photo plus large. Croissant ascendant (peu après la nouvelle Lune), Tananarive (Madagascar), 30/10/2019, 18h02.	Source - © 2019 D'après OD Figure 4. Fin croissant de Lune descendant “lyonnais” Montage d'une vue large et d'un zoom. Croissant descendant (peu avant la nouvelle Lune), Lyon (France), 21/11/2019, 11h56.
Source - © 2019 D'après PT Figure 5. Fin croissant de Lune descendant “guyanais” Montage d'une vue large et d'un zoom. Croissant descendant (peu avant la nouvelle Lune), Kourou (Guyane), 24/11/2019, 06h56.

Source - © 2019 D'après AB, CE, CJ, OK, PD

Figure 6. Cinq observations du premier quartier de Lune, 3 au 5 novembre 2019

De gauche à droite, Lisbonne (Portugal), Ouagadougou (Burkina Faso), Nairobi (Kénya), Wollongong (Australie), Kani-Kéli (Mayotte, France).

Ces cinq vues (base horizontale) montrent des orientations différentes du premier quartier : demi-Lune bombée vers la droite, le bas, le haut, la gauche… De quoi remettre en cause le supposé moyen mnémotechnique du “p” (bombé vers la droite) et du “d” (bombé vers la gauche) pour distinguer respectivement le premier quartier / croissant ascendant et le dernier quartier / croissant descendant.

Cette série de photographies constitue une base de données intéressante pour revoir et comprendre non seulement les phases de la Lune au cours d'une lunaison, mais aussi les images différentes de la Lune observables selon sa position sur Terre et l'heure d'observation.

La période de rotation de la Lune sur elle-même est égale à sa période de révolution. Cette synchronisation induit que la Lune présente toujours la même face à la Terre. La synchronisation des satellites est la situation générale des satellites des planètes du système solaire (à part Hypérion, petit satellite irrégulier de Saturne, à la rotation chaotique et résultant probablement d'un impact “récent”). Cette synchronisation résulte de l'effet de marée de la planète sur son satellite, effet qui induit une déformation qui, selon le mode d'explication choisi, 1/ dissipe de l'énergie de rotation du satellite par frottements dus à la déformation du satellite tant que le bourrelet n'est pas figé (le bourrelet reste dans l'axe satellite-planète alors que le satellite tourne sur lui-même) d'où un ralentissement de la rotation (perte d'énergie de rotation), ou 2/ provoque une force de rappel antagoniste à son mouvement d'entrainement par la rotation du satellite, et ceci jusqu'à ce que le satellite présente toujours la même face à sa planète (le bourrelet est alors face à la planète et la déformation est “figée”). Comme les autres satellites du système solaire, la Lune présente toujours la même face à sa planète, la Terre.

La Lune tourne autour de la Terre qui elle-même tourne autour du Soleil. La Lune tourne donc aussi autour du Soleil et ne lui présente pas toujours la même face. Il en résulte que la face visible de la Lune (pour un observateur terrestre) n'est pas toujours également “éclairée”.

Source - © 2022 Jordan Biets

Figure 7. Une lunaison dans le système Lune-Terre-Soleil

Pour des raisons de lisibilité du dessin, les positions à 27,32 et 29,53 jours sont exagérément éloignées.

Partons d'une position initiale de pleine Lune, alignement Soleil-Terre-Lune (figure ci-dessus). Au bout de 27,3 jours, la Lune a effectué un tour complet autour de la Terre : l'axe Terre-Lune pointe dans la même direction dans un repère céleste (flèche rosée sur la figure). Mais alors, comme la Terre a progressé dans sa course autour du Soleil, la Lune n'est plus sur l'axe Soleil-Terre et sa face visible n'est pas totalement éclairée. Ce n'est qu'au bout de 29,5 jours que la configuration initiale Soleil-Terre-Lune est à nouveau atteinte, on est alors à la pleine Lune suivante : il s'est écoulé une lunaison (durée entre deux phases lunaires identiques) aussi appelée mois lunaire (pour un Terrien).

Par observation depuis le sol (photographie, télescopes au sol) ou depuis des satellites orbitant autour de la Terre sur une orbite proche (par exemple, le télescope Hubble), on voit donc toujours la même face de notre satellite naturel. Des photographies de haute résolution ont aussi été prises depuis des capsules spatiales ou satellites orbitant autour de la Lune (missions Apollo, LROC). Ces derniers permettent alors la construction de mosaïques de photographies représentant aussi bien la face “visible” de la Lune (near side of the Moon) que la face “cachée” de la Lune (far side of the Moon), ainsi que toute autre vue possible (vues polaires…). Notons que la caméra EPIC de la mission DSCOVR, depuis une position lointaine entre Terre et Soleil (à environ 1,6 millions de kilomètres de la Terre) a pu prendre une série de photographies montrant la Lune passant devant la Terre sur laquelle on voit donc la face “cachée” totalement éclairée, on est alors, pour un Terrien, en nouvelle Lune (face visible non éclairée par le Soleil).

Traditionnellement, dans les atlas ou photographies éducatives on montre la Lune telle que visible par un observateur situé au centre de son orbite, le Nord vers le haut (et donc l'Ouest à gauche et l'Est à droite). Cependant, en particulier dans les atlas à destination des seuls astronomes et dans les livres “anciens”, les dessins ou photographies peuvent être “renversés” c'est-à-dire proposés tels que vus à travers un télescope situé dans l'hémisphère Nord.

Source - © 2011 NASA/GSFC/Arizona State Univ. Figure 8. La face visible de la Lune, mosaïque LROC Montage d'images prises par LROC en décembre 2010 (version annotée, avec noms en latin, disponible sur la même page). Les observations à l'œil nu et la plupart des photographies “classiques” sont plus lumineuses que cette image dont contraste et luminosité ont été réglés de manière à permettre une distinction optimale des reliefs lunaires. Une vue “renversée” de la face visible de la Lune est proposée (pôle Nord en bas et Est à gauche) pour faciliter l'interprétation des observations faites depuis “le Sud”, ou depuis “le Nord” à travers un télescope.

Source - © 2011 D'après NASA/GSFC/Arizona State Univ., modifiée Figure 9. Photographie annotée de la face visible de la Lune Dans la moitié Est : en bordure, les mers des Crises et de la Fécondité, et plus au centre les mers de la Sérénité, de la Tranquillité et du Nectar. Dans la moitié Ouest : en bordure l'Océan des Tempêtes, le cratère Grimaldi et la Mer des Humeurs, et plus au centre, la Mer des Pluies, les cratères Képler, Copernic, Tycho et la Mer des Nuées. L'équateur et le méridien lunaire passant par le centre de la face visible sont représentés en tiretés (les repères “Nord”, “Est” et “Ouest” de la Lune stylisée utilisée sur les schémas de cet article ont été ajoutés sur cette vue).

L'appareil photographique à large angle de vue (Wide Angle Camera) de la mission LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) propose, en plus de cette vue de la face visible depuis la Terre (Nearside spectacular!), des mosaïques reconstituant la face cachée de la Lune mais aussi des vues sous différents angles (vues polaires…) sur les pages Farside! And all the way around ou The Far Side of the Moon -- And All the Way Around. L'équipage de la mission Apollo 17, en décembre 1972, a aussi pris des clichés de la Lune sous des angles inhabituels alors, durant leur retour sur Terre : Apollo 17 - Whole Moon View et Apollo 17's departing view of the Moon.

Des cartes ou clichés repérant mers, lacs et autres sites lunaires, en plus de la vue LROC annotée, sont disponibles par exemple sur les sites de National Geographic, de l'Observatorio ARVAL (Venezuela), d'Astronomie-02100 (en français mais avec des images comme vues depuis un télescope), en téléchargeant l'Atlas Virtuel de la Lune. On peut aussi se promener sur la Lune avec Google Earth en activant le mode “Lune” et ses divers calques, ou bien en visitant l'outil Quickmap du SSERVI de la NASA avec ses projections variées, son globe lunaire, ses images de différentes sources et résolutions, et ses données variées.

Librations lunaires et surface observable

Plus rigoureusement, du fait d'une orbite elliptique et d'une légère inclinaison de l'orbite lunaire par rapport au plan de l'écliptique, il est possible, en cumulant les observations dans le temps, de voir 59 % de la surface de la Lune depuis la Terre. On parle de librations : on voit parfois au-delà d'un pôle ou de l'autre (librations latitudinales) et parfois plus vers l'Ouest ou l'Est (librations longitudinales). À une pleine Lune donnée, on voit exactement 50 % de la surface lunaire. Les cartes lunaires peuvent donc être très légèrement différentes selon la position centrale exacte choisie, mais seule la périphérie change un peu entre ces cartes ou clichés.

On peut voir ces librations grâce, par exemple, à un montage d'images successives au cours d'une lunaison, comme proposé dans l'animation ci-dessous.

Source - © 2005 Tomruen d'après des images NASA

Une animation du même auteur enlève l'effet de la lunaison, la face visible est alors artificiellement toujours éclairée.

On considère dans un premier temps que l'orbite de la Lune est sur le plan de l'écliptique (écliptique et plan orbital de la Lune sont donc confondus dans les dessins explicatifs suivants).

La figure 10 représente les positions relatives Soleil-Terre-Lune au cours d'un mois lunaire ainsi que les phases de la Lune telles que vue depuis le centre de l'orbite lunaire (ou depuis le centre de la Terre).

Source - © 2022 Jordan Biets

Figure 10. Mois lunaire vu sur le plan de l'écliptique (à Soleil et Terre fixes) et phases de la Lune vues depuis le centre de l'orbite lunaire

On appelle “terminateur” la ligne de séparation jour/nuit sur la Lune (en particulier, pour nous, sur sa face visible). Ce terminateur est un méridien lunaire, il passe donc par les pôles de la Lune, situés en périphérie de la face visible de la Lune pour un observateur terrestre.

Ces vues correspondent aussi à ce qu'un observateur terrestre peut voir lorsqu'il est “très au Nord”, le sol étant alors presque parallèle au plan de l'écliptique. Elles expliquent l'origine des “repères” du bombement de la Lune, avec un terminateur qui est comme un “p” au premier quartier et un “d” au dernier quartier. Ces repères ne sont applicables en permanence qu'aux observateurs situés quelques degrés au-delà (au Nord) du tropique du Cancer (tropique Nord), comme nous allons le voir par la suite.

Sur la figure 10, on a représenté, en haut, un mois lunaire vu sur le plan de l'écliptique en gardant la même position relative Soleil-Terre. En bas, sont représentées les phases de la Lune telles que vues depuis le centre de l'orbite lunaire ou par un observateur situé à la place de la Terre, debout sur le plan de l'écliptique, avec le Nord vers le haut, au cours d'une lunaison (ou mois lunaire).

Lors d'une lunaison, la Lune voit toute sa surface éclairée “successivement”, elle fait un tour sur elle-même vue depuis le Soleil : il s'agit d'une journée lunaire. Le centre de la ”face visible” (demi-sphère blanche) est à midi solaire lorsque toute la “face visible” est éclairée, c'est, pour un observateur terrestre, la pleine Lune.

Les différentes phases de la Lune, correspondant chacune à une position relative Soleil-Terre-Lune, se nomment nouvelle Lune (NL), croissant ascendant (CA), premier quartier (PQ), Lune gibbeuse ascendante (ou gibbus ascendant, LGA), pleine Lune (PL), Lune gibbeuse descendante (ou gibbus descendant, LGD), dernier quartier (DQ), croissant descendant (CD). On parlera ici de phase ascendante pour toute position comprise entre la nouvelle Lune et la pleine Lune suivante, et de phase descendante entre la pleine Lune et la nouvelle Lune suivante.

Remarquons ici aussi que la pleine Lune et les lunes gibbeuses, phases les plus “éclairées” et donc “voyantes”, sont du “côté nuit” de la Terre, ce qui explique l'association Lune-nuit… association tenace et répandue, mais totalement fausse et qui occulte les observations diurnes de la Lune. Observer la Lune de jour est accessible à chaque personne qui se donne la peine de lever la tête pour regarder le ciel aussi de jour (ou qui voit les horaires de lever et de coucher de Lune sur certains calendriers ou agendas). D'ailleurs, qui n'a jamais vu la Lune de jour… même en pensant parfois avoir juste vu un Soleil blafard ?

Pour les très fins croissants, sans connaitre la position de l'observateur, la date et l'heure, il n'est pas évident de déterminer si l'on est en croissant ascendant ou descendant (voir figures 3 et 5, par exemple).

Pour déterminer si l'observateur est ou non au Nord du plan orbital (pôle Nord dans la moitié supérieure éclairée, bordure Est de l'équateur dans la moitié droite et Ouest dans la moitié gauche) on peut s'aider de la figure 9.

Source - © 2019 D'après VR, AB

Figure 18. Deux observations de lunes gibbeuses en novembre 2019, à Tananarive (Madagascar) et Lisbonne (Portugal)

À gauche on reconnait très bien que la moitié Est de la Lune est totalement visible, on est donc en phase ascendante. L'axe lunaire Nord-Sud est quasi horizontal, l'équateur est quasi-vertical, l'observateur était donc presque sur le plan orbital de la Lune.

À droite, c'est la moitié Ouest qui est totalement visible, on est en phase descendante. On est en vue “classique” pour un Français métropolitain (pôle Nord lunaire en haut à gauche, Ouest de l'équateur dans la moitié gauche), l'observateur était donc au Nord du plan orbital de la Lune.

Source - © 2019 D'après PVC Figure 19. Pleine Lune à Bangkok, Thaïlande Même avec des conditions météorologiques peu favorables, on peut ici clairement voir la forme de la Lune, mais malheureusement pas les détails de sa surface masqués par les nuages. Il semble cependant qu'on reconnaisse quand même la Mer des Crises, l'un des repères les plus évident sur la Lune.

Source - © 2019 D'après HS Figure 20. Quartier de Lune à Terrassa, Espagne Avec de mauvaises conditions d'observation et/ou un matériel de qualité moyenne, on peut tout de même observer la forme de la Lune, ici un quartier. Comme on est dans l'hémisphère Nord, bien au-delà de 28° de latitude, on en déduit que c'est un premier quartier.

Source - © 2019 D'après AE, CE, JN, FB

Figure 21. Pleine Lune du 11-12 novembre 2019

De gauche à droite, on voit bien deux observations “nordistes” depuis Valencia (Espagne) et Ouagadougou (Burkina Faso), puis deux ”sudistes” à Nouméa (Nouvelle-Calédonie, France) et Canberra (Australie).

Source - © 2019 D'après MJ Figure 22. Premier quartier de Lune à Hong-Kong, Chine Observation de la “bascule” de la Lune à 28 h d'intervalle.

Source - © 2019 D'après AP Figure 23. Dernier quartier de Lune à Madrid, Espagne Observation de la “bascule” de la Lune à 20 h 30 d'intervalle.

Source - © 2019 D'après AE, EO Figure 24. Premier quartier à Valencia (Espagne) et Singapour Deux vues très semblables de la face orientale de la Lune éclairée (premier quartier).	Source - © 2019 D'après AB Figure 25. Dernier quartier de Lune à Lisbonne, Portugal On voit bien que c'est la face Ouest de la Lune qui est éclairée, c'est bien un dernier quartier.
Source - © 2019 D'après CE, CJ, OK Figure 26. Dernier quartier de Lune de novembre 2019, depuis Ouagadougou (Burkina Faso), Nairobi (Kénya) et Wollongong (Australie) Un observateur “nordiste” un peu pressé penserait voir un premier quartier de Lune alors que ces trois vues “sudistes” montrent bien la face occidentale lunaire éclairée, on est dont en dernier quartier.

L'observation de la Lune, avec un “minimum” de géométrie dans l'espace, est un moyen simple d'aborder les questions d'orbite, de satellite et de position d'observation, et constitue un excellent complément de l'étude des saisons (cf. Les saisons sur Terre, répartition de l'énergie solaire et paramètres orbitaux sur CultureSciences Physique ou Planet-Terre).

Stellarium (logiciel ou application) permet une observation virtuelle du ciel avec constellation, planètes mais aussi avec la Lune et ses phases (forme et “inclinaison” respectées). Il est possible de se placer où l'on veut sur Terre et d'observer un ciel passé, actuel ou futur. Très pratique pour préparer, “revivre”, compléter ou comparer (dans le temps et l'espace) des observations astronomiques.

Téléchargez le logiciel Stellarium, utilisez la version Stellarium en ligne ou téléchargez l'application Stellarium dans les dépôts Google Play, App Store, Aptoide ou autres.

Pour connaitre rapidement et simplement les heures de lever et de coucher et la phase de la Lune où que l'on soit, de nombreuses applications sont aussi disponibles sur votre plateforme d'application préférée (en combinaison ou non avec d'autres fonctionnalités pour le Soleil et les saisons)… en plus de nombreux sites, magazines ou livres qui proposent des calendriers lunaires plus ou moins complets.