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La mesure du temps et les cycles solaires

La Terre vue de l'espace. A gauche il fait jour, à droite il fait nuit.

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.

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

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 appela 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 14eme siècle ! Les Bouddhistes commencent leur calendrier le 14 avril et sont déjà au 26eme siècle (2554 lorsque nous étions en 2010). Les Juifs au contraire ont commencé leur calendrier 1762 ans avant nous. Cela signifie qu'en 2010 ils célébraient déjà l'an... 3772. Les Berbères également; en 2010 ils célèbraient l'an...2960, 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 en un point donné 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 20, 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.

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.

En été, le Soleil monte très haut dans le Soleil, il fait 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 de gauche, en été (à gauche) le pôle Nord reste éclairé par le Soleil ; il n'y a pas de nuit pendant 6 mois. Inversement, en hiver le pôle Nord (à droite) ne reçoit pas la lumière du Soleil durant 6 mois. En Scandinavie ou au nord de Moscou par exemple, en hiver, la nuit dure à peine 2 heures.

En revanche, au niveau de l'équateur, en été comme en hiver, la journée dure pratiquement aussi longtemps que la nuit.

Pourquoi fait-il froid en hiver dans l'hémisphère Nord ? En décembre la Terre se trouve un peu plus près du Soleil qu'en juin. La différence atteint 1%. On pourrait donc penser qu'il devrait faire plus chaud en décembre. Ce refroidissement n'est pas lié à la distance qui nous sépare du Soleil, mais avant tout à la position du Soleil par rapport à l'axe d'inclinaison de la Terre.

En effet, en hiver dans l'hémisphère Nord les habitants ne voient pas longtemps le Soleil au-dessus de l'horizon et ses rayons sont très inclinés par rapport à la verticale. Inversement, 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.

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 moins d'énergie et par conséquent il fait plus froid.

De plus, puisque le jour est plus court en hiver (il fait jour durant 8 heures contre 12 heures en été vers 50° de latitude Nord) le Soleil n'a pas assez de temps pour réchauffer le sol et le froid subsiste.

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 !

D'un autre côté, la distance au Soleil joue malgré tout un rôle en adoucissant les saisons dans l'hémisphère Nord. En hiver, puisque la Terre est légèrement plus près du Soleil, l’hémisphère Nord reçoit un tout petit peu plus de chaleur, tandis que les habitants de l’hémisphère Sud ont des étés un peu plus chauds. Inversement, en été la Terre est un peu plus éloignée du Soleil ce qui adoucit un peu la chaleur dans l’hémisphère Nord, tandis que l’hémisphère Sud grelotte un peu plus.

Le Soleil modifie le climat

 Comme tu l'as compris en fonction de la saison le Soleil éclaire et réchauffe plus ou moins fort certaines régions de la Terre. 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.

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. 

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

En Europe il ne pleut pas très fort et principalement en été. Dans la région équatoriale il n'y a que deux saisons : la saison sèche et la saison humide. Pendant la saison humide dite parfois "saison des pluies", au Congo ou en Indonésie par exemple pendant 6 mois il pleut quelques heures tous les jours. C'est pourquoi ces pays sont très verts car les plantes y sont nombreuses et poussent rapidement grâce aux fortes chaleurs et la forte humidité ambiante.

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.

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 Néandertal 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 des périodes glaciales. 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 marche ?

Tout d'abord, pour mettre tout le monde d'accord où qu'il habite sur Terre, on a défini un temps de référence. 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 à Greenwich, en Angleterre. Il y a un décalage horaire de -9 heures avec la Californie (ils sont en retard sur Greenwich) et de +8 heures avec Sydney en Australie (ils sont en avance sur Greenwich).  Il faut toutefois également tenir du changement d'heure en hiver et en été. A présent, tu peux à présent fixer sans problème rendez-vous à une personne n'importe où dans le monde en utilisant le temps universel sans risque de te tromper.

Heure d'été (Paris/Bruxelles) = T.U. + 2h

Heure d'hiver (Paris/Bruxelles) =  T.U. + 1h

A télécharger : Iridium Global Time Converter (240 KB)

Trouve le nord avec ta montre

Tu peux 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.

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°.

Un gnomon. Document http://www.gnomon3d.com/

Un gnomon, c'est l'ancêtre du cadran solaire, des horloges et des montres.

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. 

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 !

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 volontiers sous le Soleil que sous la pluie, quoiqu'en dise la chanson.

La persistence de la mémoire, par Salvatore Dali.

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 "sent" 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. 

Ton corps va changer de rythme 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.

Document Bill Staples/Photo.net.

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 18eme 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 présenteront de plus belles couleurs si elles vivent à l'ombre.

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. 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 la vie.

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