L'astronomie enseignée aux enfants

La mesure du temps et les cycles solaires

La mesure du temps

Comme tout le monde, tu as vu le Soleil se déplacer dans le ciel durant la journée. En réalité c'est une illusion car le Soleil ne bouge pas ! C'est la Terre qui tourne sur elle-même en 24 heures, précisément en 23h59m4s et qui donne l'impression que le Soleil bouge. Mais tu as raison de croire ce que tu vois car vu du sol on dirait que la Terre ne bouge pas mais il suffirait de prendre une navette spatiale et de rester une minute au-dessus d'un point de repère pour constater qu'effectivement la Terre avance et tourne très vite sur elle-même. Comme tout le monde a l'impression que c'est le Soleil qui bouge, les hommes l'utilise pour calculer les heures et mesurer le temps qui passe avec des horloges et des montres.

On dit que le Soleil se lève le matin et se couche le soir. En réalité il brille toujours, 24 heures sur 24, et quand il fait nuit chez toi dans des pays très lointains, situés de l'autre côté de la Terre, au Japon ou en Australie il fait jour ! Ce phénomène représente le cycle du jour et de la nuit et se repètera ainsi durant des milliards d'années tant que le Soleil brillera et que la Terre tournera sur elle-même. Mais un jour dans un futur très très lointain, dans plus de 10 milliards d'années, le Soleil va mourir et ne brillera plus et par conséquent il fera tout le temps nuit sur Terre. Mais on vivra depuis longtemps sur une autre planète !

La Terre vue de l'espace. A gauche la partie éclairée par le Soleil, il fait jour; à droite la partie plongée dans l'obscurité, il fait nuit.

La Terre tourne également autour du Soleil sur une orbite qui ressemble à un cercle aplati, une ellipse. Elle avance à environ 30 km/s (plus de 100000 km/h !) et malgré cette vitesse très rapide, il lui faut 365 jours 5 heures 48 minutes et 46 secondes, soit un an pour en faire le tour et revenir à la même place !

1. Equinoxe de printemps :

2. Solstice d'été :

3. Equinoxe d'automne :

4. Solstice d'hiver :

5. Aphélie :

6. Périhélie :

21 mars

21 juin

23 septembre

22 décembre

1 juillet

1 janvier

Au périhélie (6) la Terre se trouve à 147 millions de km du Soleil. Elle se trouve à 152 millions de km à l'aphélie (5).

Ce cycle annuel a été utilisé par les anciennes civilisations, les Egyptiens, les Mayas, les Chinois ou les Grecs pour créer les premiers calendriers. On les utilisait surtout pour l'agriculture, pour savoir quand il fallait semer et faire les récoltes mais aussi pour fêter les anniversaires, et célébrer les fêtes religieuses.

Stonehenge en Angleterre. Les prêtres du Néolithique se servaient de l'alignement des pierres dressées pour observer la position du Soleil lors du solstice d'été, le 20 ou 21 juin et peut-être pour déterminer les dates des premiers travaux agricoles.

On peut aussi utiliser les différentes phases de la Lune pour créer un calendrier dit lunaire qui dure 28 jours.

En observant la Lune avec beaucoup d'attention et de patience, les ancêtres des Britons vivant en Angleterre il y a plus de 4600 ans (qui ne sont pas des Celtes contrairement à ce que propage la rumeur) ont également découvert les extrêmes du cycle lunaire qui durait 19 ans. Mais ces calendriers sont plus difficiles à utiliser car la Lune ne tourne pas autour du Soleil, mais autour de la Terre. Aujourd'hui le calendrier lunaire n'est plus utilisé.

Mais un jour, du temps des romains, les mathématiciens qui travaillaient avec l'empereur Jules César ont remarqué que leur calendrier solaire était faux et que l'hiver tombait presque en été ! Il y avait un décalage d'environ 80 jours entre la position du Soleil et ce que disait le calendrier. Jules César décida alors d'inventer un nouveau calendrier contenant 12 mois de 30 ou 31 jours avec un jour de plus tous les 4 ans, ce qu'on appella les années bissextiles. C'est ce calendrier que nous utilisons encore aujourd'hui et depuis, l'hiver ne tombe plus en été !

Il resta tout de même une toute petite erreur qui, en 1500 ans, donnait un décalage de 10 jours entre l'année civile et l'année dite tropique basée sur la rotation de la Terre autour du Soleil. Aussi, en 1582 le pape Grégoire XIII décida que le lendemain du jeudi 4 octobre 1582 serait le vendredi 15 octobre ! Mais même ainsi il restait encore un petit décalage et on décida de supprimer certaines années bissextiles.

Aujourd'hui, l'erreur entre la position du Soleil et le calendrier se décale d'environ 1 jour en 3000 ans. C'est beaucoup mieux et on le rattrapera sans doute en nous donnant un jour de congé supplémentaire !

Tu te demandes peut-être aussi pourquoi les Chinois célèbrent le nouvel an fin janvier et non pas le 31 décembre ? En fait il existe beaucoup de calendriers différents. Les Kanak de Nouvelle Calédonie commencent l'année le 12 août en plantant des patates douces. Le calendrier chinois compte environ 354 ou 383 jours car il tient également compte des phases de la Lune. Les Musulmans ont commencé leur calendrier 622 ans après nous et sont aujourd'hui au 14^eme siècle ! Les Bouddhistes commencent leur calendrier le 14 avril et sont déjà au 26^eme siècle (2544 lorsque nous étions en l'an 2000). Les Juifs au contraire ont commencé leur calendrier 1762 ans avant nous. Cela signifie qu'en l'an 2000 ils célébraient déjà l'an... 3762. Les Berbères également; en 2000 ils célèbraient l'an...2950, leur calendrier commençant avec le règne du premier Pharaon Berbère sur le trône d'Egypte. Comme les héros de Star Trek, on peut dire qu'ils vivent déjà dans le futur !

Mais heureusement, dans la vie de tous les jours et pour des raisons administratives et de commodités, tout le monde utilise le même calendrier qui compte 365.25 jours. On l'appelle le calendrier grégorien.

Pourquoi y a-t-il des saisons ?

La Terre tourne sur elle-même autour d'un axe qui est incliné d'environ 23°27' par rapport à la verticale. Pourquoi 23°27' ? Parce qu'un jour un corps céleste, une petite planète qui n'existe plus, a fait une collision avec la Terre qui, sous le choc, s'est penchée comme une toupie, mais elle ne s'est plus jamais redessée. Cette inclinaison fait varier sans cesse la durée du jour et de la nuit et crée les saisons.

Deux jours par an toutefois la durée du jour est égale à la durée de la nuit : 12 heures chacune. C'est l'équinoxe de printemps le 21, 22 ou 23 mars et l'équinoxe d'automne le 21, 22 ou 23 septembre. Ces jours là coïncident avec le passage du Soleil dans l'une ou l'autre hémisphère.

En été le Soleil monte très haut dans le Soleil, il faut chaud et le jour dure plus longtemps que la nuit. En hiver c''est l'inverse, le Soleil ne monte pas très haut dans le ciel, les journées sont courtes et il fait froid. Pourquoi ces différences. Un schéma va nous aider à comprendre ce qui se passe.

Comme tu le vois sur l'image ci-dessus, près du pôle en été (à gauche) la nuit est plus courte que la journée. En hiver près du pôle nord (à droite) la journée est plus courte que la nuit. Par contre au niveau de l'équateur, en été comme en hiver, la journée dure aussi longtemps que la nuit. Puisque le jour est très court en hiver (il fait clair entre 8h30 le matin et 4h30 le soir) le Soleil n'a pas assez de temps pour réchauffer la Terre et il fait froid.

Mais il y a aussi un autre phénomène plus important qui explique pourquoi il fait froid en hiver : c'est la position du Soleil dans le ciel. En hiver bien que la Terre soit plus proche du Soleil qu'en été, les habitants qui vivent dans les pays tempérés (USA, France, Belgique, Angleterre, Argentine) et près du pôle (Canada, Scandinavie, Russie, Japon, Chili) ne voient pas longtemps le Soleil au-dessus de l'horizon et ses rayons sont très inclinés par rapport à la verticale.

En été le Soleil est très haut dans le ciel et ses rayons, comme un faisceau lumineux très puissant, éclairent une surface plus petite qu'en hiver.

C'est l'inclinaison de l'axe de la Terre sur le plan de son orbite qui explique pourquoi il y a des saisons et la raison pour laquelle la durée du jour n'est pas égale à la durée de la nuit.

Comme le montre le dessin présenté ci-dessous, puisque la même chaleur est répartie en hiver sur une plus grande surface, chaque partie éclairée de la Terre reçoit donc moins de chaleur. Celle-ci est diffusée ce qui explique pourquoi il fait beaucoup plus froid en hiver dans l'hémisphère nord.

A ce propos, dans l'hémisphère sud les saisons sont inversées : les habitants du Brésil, d'Afrique du sud ou d'Australie passent Noël sous le Soleil de l'été et chez eux, dans les montagnes il neige au mois de juin !

Le Soleil modifie le climat

Comme tu l'as compris en fonction de la saison le Soleil éclaire et réchauffe plus ou moins fort les différents pays. En été en Europe il fait chaud sur le continent tandis que sur la côte la température est plus supportable car l'eau absorbe la chaleur et rafraîchit la température. Dans les déserts par contre il n'y a pratiquement pas d'eau et jamais de nuage. Le Soleil est très haut dans le ciel et la température atteint dépasse souvent 40°C. La chaleur s'accumule et sèche les feuilles des arbres qui finissent par mourir. S'il y a un tout petit peu d'eau par contre, certaines plantes comme les cactus ou les mousses peuvent survivre car elles se sont adaptées au climat; elle ont changé de forme, elle ont appris à ne pas trop transpirer au Soleil et font des réserves d'eau. Les animaux du désert dont la même chose pour survivre.

Le climat dépend aussi du déplacement des masses d'air et du vent. Ainsi en été l'eau de mer s'évapore très fort au niveau de l'équateur. La vapeur monte dans l'air et forme de gros nuages qui remontent vers l'Europe et les Etats-Unis par exemple. A cette latitude ils rencontrent de l'air plus froid qui vient du pôle nord. La différence de température entre les deux masses d'air forme des précipitations et il pleut. En Europe il ne pleut pas très fort et principalement en été mais dans la région équatoriale, au Congo ou en Indonésie pendant 6 mois il pleut des cordes tous les jours. C'est pourquoi ces pays sont très verts car les plantes y sont nombreuses et poussent rapidement grâce au haut degré d'humidité ambiante.

Mais si on analyse le climat du passé, on constate que cela n'a pas toujours été ainsi. La Terre a connu des périodes très froides où les glaciers du pôle nord arrivaient jusqu'en Angleterre et en France.

Clique sur l'image pour lancer l'animation satellitaire pour la journée du 20 au 21 juin 2001 (GIF de 278 KB).

A cette époque, voici 21000 ans, la température était en moyenne 5°C inférieure à celle d'aujourd'hui. C'était l'époque de l'homme de Néanderthal et de l'homme de Cro-Magnon. Ensuite, entre -10000 et -6000 ans la température de la Terre s'est réchauffée et il faisait en moyenne 1°C de plus qu'aujourd'hui.

Ces glaciations suivent un cycle assez régulier d'environ 1000000 ans, marqué de temps en temps par des températures douces et par des maxima glaciaires où il fait encore plus froid. Ces cycles dépendent du degré d'inclinaison de l'axe de la Terre, du mouvement de rotation de son axe (précession), de la forme de l'orbite terrestre et d'autres paramètres moins importants.

C'est en analysant les données climatiques du passé et en regardant ce qui se passe de nos jours que les climatologues essaient d'évaluer les conséquences à long terme de l'impact de l'effet de serre dû à l'accumulation du gaz carbonique dans l'air.

Le temps solaire ou temps universel de Greenwich

Dans sa course journalière à travers le ciel, le Soleil offre un excellent moyen de connaître l'heure. Etant donné qu'il se déplace toujours à la même vitesse on peut l'utiliser comme une horloge. Comment ça ?

Entre le lever et le coucher, le Soleil passe par le sommet de sa trajectoire, le zénith. A ce moment là on dit qu'il est midi au Soleil. Mais comme il y a des endroits sur Terre où il fait déjà nuit, tu ne peux pas dire à un ami Américain par exemple : j'attends ton coup de téléphone à midi. Car lui va regarder sa montre à midi en Californie, or en Europe il sera déjà 9h du soir en été ! Et quand tu lui diras qu'il est midi, ton ami Américain va te dire : non, c'est faux ! Ici il est 3h du matin... Et même aux Etats-Unis comme le montre l'image ci-contre, il fait encore jour en Californie alors que les habitants de New-York dorment déjà ! Oui, ca devient très compliqué. Comment faire dans ce cas pour ne pas rater ce rendez-vous ?

Pour mettre tout le monde d'accord on a décidé d'utiliser le temps universel ou T.U. Il correspond à l'heure donnée en Angleterre lorsque le Soleil se trouve au dessus d'une ligne tracée par terre dans la ville de Greenwich; on l'appelle le méridien de Greenwich. C'est l'heure officielle qui est utilisée dans le monde entier pour synchroniser les horloges. Quand on dit qu'il est 12 h TU, ca veut dire qu'il est 12 heure ou midi en Angleterre. Comme on sait qu'il y a un décalage horaire de -9 heures avec la Californie et de +8 heures avec Sydney en Australie, tu peux à présent fixer sans problème rendez-vous avec une personne en utilisant le temps universel sans risque de te tromper.

Quelle heure est-il en France, dans le Bénélux et en Suisse ?

Heure d'été = T.U. + 2 heures, Heure d'hiver = T.U. + 1 heure

A télécharger : Iridium Global Time Converter (240 KB)

Mais ici ou ailleurs tu peux calculer toi-même l'heure exacte que donne le Soleil sans connaître l'heure de Greenwich ni le décalage horaire. Il te suffit de dessiner un cercle sur le sol d'environ 30 cm de diamètre que tu diviseras en 24 parties écartées de 15°. Plante ensuite un grand bâton bien droit au centre. En regardant à quel endroit est projetée l'ombre du bâton tu connaîtras l'heure solaire. Ce dispositif très simple est connu depuis l'antiquité et s'appelle un gnomon. Il existe également une autre version où la lumière du Soleil traverse une petite fente et dans laquelle l'heure est indiquée par la position du rayon lumineux.

Tu peux également fabriquer un cadran solaire qui repose sur le même principe. Prend une petite planche en bois de 30 cm de côté et trace dessus un grand cercle. Divise-le en 24 parties en faisant des petites marques sur le bord avec un feutre. Trace également 2 axes perpendiculaires passant par le centre sur lesquels tu indiques les 4 points cardinaux, N, S, E, O. Si tu habites dans l'hémisphère nord, oriente un des côtés en direction du nord. Place un morceau de bois derrière la plaque pour surélever le côté sud jusqu'à la latitude du lieu, soit environ 50° pour Bruxelles, 48° pour Paris, 46° pour Genève, 45° pour Montréal et 32° pour Marakech.

Un gnomon, c'est l'ancêtre du cadran solaire et de toutes nos horloges.

Dépose-le ensuite sur une table bien exposée au Soleil ou par terre. Si tu habites dans l'hémisphère nord, sous chaque marque à partir du sud et en tournant dans le sens des aiguilles d'une montre indique les heures entre 1 et 24 (ou deux fois entre 1-12). En pratique évidemment seules les heures comprises entre 6h et environ 21h verront le Soleil. Maintenant ton cadran solaire est prêt à fonctionner. Que va-t-il se passer ?

Au fil de la journée tu verras que le matin l'ombre du bâton projète une ombre dirigée vers l'ouest et qui progressivement se déplace vers le nord et puis vers l'est. Il te suffit de lire le repère sur le cercle pour connaître l'heure solaire. Si tu veux connaître l'heure légale tu devra ajouter deux heures en été ou une heure en hiver. Ainsi tu connaîtras l'heure sans avoir utilisé ta montre ! Pour l'anecdote si tu réalises un cadran de 3m de rayon comme à gauche tu pourras te placer au centre et jouer le rôle du bâton. Ton ombre indiquera l'heure... On appelle cela de la physique amusante !

Grâce à l'heure solaire ou temps universel tu n'auras plus de problème avec les fuseaux horaires et tu pourras fixer tes rendez-vous avec n'importe qui, où qu'il habite sur Terre, sans faire attention s'il fait jour ou nuit chez ton ami. C'est une invention géniale !

Trouve le nord avec ta montre

Tu peux également utiliser le Soleil et ta montre pour trouver le nord. Comment faire ?

Tu dois utiliser une montre à aiguille car ça ne fonctionne pas avec une montre digitale. Prends ta montre et vise le Soleil avec la petite auguille. Si tu habites dans l'hémisphère nord, le sud se trouve entre la marque de 12h et la petite aiguille. Mais tu me diras : Oui, mais ce n'est pas le nord ! Puisque le nord est toujours opposé au sud, il est situé dans l'autre sens, presque derrière toi.

Maintenant tu n'as plus d'excuse pour dire que tu ne sais pas où est le nord ! Plus moyen de te perdre et tu pourras toujours lire une carte même si tu n'as pas de boussole. Evidemment il faut du Soleil ou savoir à peu près où il se trouve s'il y a quelques nuages.

Le rythme de vie des animaux et des plantes

Les animaux comme les plantes ont besoin du Soleil et tous les gens te diront que si le Soleil est absent durant plusieurs semaines, ils se sentent déprimés et tristes. Le Soleil nous donne du tonus et à l'image du coq qui lance son cororico au lever du jour, on chante plus volontier sous le Soleil que sous la pluie, quoiqu'en dise la chanson.

Le Soleil influence notre métabolisme, la façon dont notre organisme réagit en fonction de la composition du sang et des autres liquides. Les médicaments par exemple peuvent plus facilement soigner les maladies quand on les administre à certains moments durant la journée.

Le Soleil influence aussi inconsciemment nos "horloges" internes. Nous avons à la base du cerveau une petite glande appellée la glande pinéale. En présence du Soleil (qu'elle "sens" à travers nos yeux et notre peau), elle émet une substance dénommé la mélatonine. Cette glande règle le rythme de ton sommeil et le nombre d'heures que tu restes éveillé(e).

Mais si tu vis dans une grotte durant plusieurs mois, comme il n'y a pas de Soleil pour régler le rythme du jour et de la nuit, ton corps utiliser d'autres références et va inventer un nouveau rythme de vie qui sera soit de 17 heures soit de plus de 30 heures au lieu des 24 heures habituelles. Il le fait automatiquement en fonction du besoin de tes organes et tu ne te sentiras pas plus fatigué pour autant. Mais il est certain que si tu restes enfermé sans voir le Soleil un an ou plus, ton organisme va se fragiliser, principalement les os de ton squelette qui ont besoin de vitamine D, celle que tu fabriques lorsque ta peau brunit au Soleil.

Un rythme pour chaque chose. Même sans montre, ton corps sait quand il doit dormir et rester éveiller.

Les animaux suivent également le rythme du jour et de la nuit. La plupart mênent une vie diurne, comme toi et moi, et dorment durant la nuit. Mais le hibou par exemple se réveille le soir et vit la nuit, comme la chouette ou le grand duc. D'autres animaux, comme la marmotte, le hérisson ou l'ours profitent même de l'hiver pour hiberner et économiser leur énergie. Ils se cachent dans des terriers ou des cavernes et y dorment profondément pendant plusieurs mois. Ils ne se réveilleront qu'au printemps pour aller manger et se reproduire.

Et qu'en est-il des plantes ? Au 18^eme siècle le botaniste suédois Carl von Linné, découvrit que certaines plantes s'ouvraient en même temps que le Soleil. Ainsi, le souci orange ouvre ses pétales à 9h du matin, la dame-de-onze-heure s'ouvre à... 11h et la belle-de-nuit ouvre sa corolle à 17h...

D'autres plantes suivent littéralement le mouvement du Soleil comme le tournesol qui se tourne toujours vers le Soleil où la marguerite qui se ferme quand il n'y a pas de Soleil. Par contre certaines plantes vertes n'aiment pas beaucoup le Soleil. Les Roses de Noël par exemple ou les fougères pousseront beaucoup plus vite et seront plus belles à l'abri de la lumière.

Enfin certains plantes ne s'intéressent pas du tout à la position du Soleil et vivent à leur propre rythme. C'est ainsi que le bambou dont se nourrit le panda fleurit une fois tous les 30 ou 70 ans. Il existe même une plante géante, l'amorphophalus titanum présentée à droite, qui fleurit une fois tous les 30 ans en dégageant une très mauvaise odeur !

Ces plantes ou ces fleurs archaïques ont toutefois besoin du Soleil pour respirer et assurer la photosynthèse, pour convertir le gaz carbonique en oxygène si indispensable à notre survie.

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