Inclinaison (de la terre)

La Terre tourne autour de son propre axe, légèrement incliné par rapport au plan de son orbite autour du Soleil. Cette inclinaison axiale d’environ 23,5 degrés est responsable des variations saisonnières : elle fait varier l’exposition des hémisphères au rayonnement solaire au fil de l’année.

Observer expérimentalement l’inclinaison de la Terre

L’inclinaison de l’axe terrestre n’est pas mesurable directement, mais elle se déduit de la hauteur du Soleil à midi, que le théodolite de FizziQ mesure grâce à l’accéléromètre du smartphone.

Étapes :

• Planter un bâton bien vertical (un gnomon) sur un sol horizontal et dégagé, et mesurer sa hauteur H au décimètre près.
• Au moment du midi solaire, quand l’ombre est la plus courte, mesurer sa longueur L. En déduire la hauteur du Soleil : h = arctan(H/L). Ne jamais viser le Soleil directement avec les yeux.
• Vérifier ce résultat avec l’outil Théodolite de FizziQ, en mesurant l’angle d’élévation de la direction Soleil-gnomon repérée par l’ombre.
• Refaire la mesure au solstice de juin et au solstice de décembre, au même endroit.
• Calculer la demi-différence des deux hauteurs mesurées : (h_juin − h_décembre) / 2. On retrouve l’obliquité, environ 23,4°.

Activités scientifiques sur ce thème

• Durée du jour et saisons - comparaison des heures de lever et de coucher du Soleil au fil de l’année, pour relier l’allongement du jour à l’inclinaison de l’axe.
• Hauteur du Soleil et saisons - mesure de la hauteur maximale du Soleil à différentes dates avec l’inclinomètre, et comparaison aux données d’éphémérides.

En savoir plus

La Terre est inclinée par rapport au plan de son orbite autour du Soleil en raison de forces qui se sont exercées sur elle durant sa formation. Les collisions entre les particules et les corps célestes dans le système solaire primitif ont donné naissance à cette inclinaison. L’inclinaison axiale de la Terre est d’environ 23,5 degrés.

Cette inclinaison a un impact important sur notre planète. Associée à la révolution de la terre autour du soliel, elle crée les saisons. Tout au long de l’année, l’inclinaison fait varier l’exposition des hémisphères au rayonnement solaire. Lorsqu’un hémisphère est incliné vers le Soleil, il reçoit plus de lumière et de chaleur, provoquant des saisons chaudes (printemps et été). Pendant ce temps, l’autre hémisphère est incliné à l’opposé du Soleil, recevant moins de lumière et de chaleur, entraînant des saisons froides (automne et hiver).

L’inclinaison crée deux phénomènes scientifiques facilement observables :

• l’allongement des journées durant l’été
• les variations de la hauteur du Soleil dans le ciel

L’axe garde une direction fixe : c’est ce qui produit l’alternance

Le point essentiel, et souvent mal compris, est que l’axe de rotation ne bascule pas au cours de l’année. Il garde une direction quasi fixe dans l’espace, pointée vers l’étoile polaire, pendant que la Terre parcourt son orbite. C’est la position de la Terre sur cette orbite qui change : six mois après avoir eu son hémisphère nord penché vers le Soleil, la Terre se trouve de l’autre côté et c’est l’hémisphère sud qui l’est. Si l’axe suivait le Soleil en pivotant, il n’y aurait aucune saison.

Ce n’est pas la distance au Soleil

L’inclinaison, et non la distance, explique les saisons. L’orbite terrestre est presque circulaire (excentricité 0,0167) et la distance Terre-Soleil ne varie que de 3,4 % sur l’année. La Terre est d’ailleurs au plus près du Soleil début janvier, en plein hiver boréal. L’inversion des saisons entre les deux hémisphères, qui sont pourtant à la même distance du Soleil au même instant, écarte définitivement l’explication par la distance.

À ne pas confondre avec l’inclinaison magnétique

Deux notions distinctes portent le même mot. L’inclinaison de la Terre, ou obliquité, est un angle de 23,4° entre l’axe de rotation et la perpendiculaire au plan de l’orbite : c’est une grandeur d’astronomie, identique en tout point du globe. L’inclinaison magnétique est l’angle que fait le champ magnétique terrestre avec l’horizontale en un lieu donné : elle vaut environ 0° à l’équateur magnétique et 90° aux pôles magnétiques, et se mesure avec le magnétomètre du smartphone. Les deux grandeurs n’ont aucun rapport physique.

L’obliquité n’est pas rigoureusement constante

L’axe terrestre décrit lentement un cône autour de la perpendiculaire à l’orbite : c’est la précession des équinoxes, de période voisine de 26 000 ans. L’étoile polaire actuelle ne le restera donc pas. L’obliquité elle-même oscille faiblement, entre environ 22,1° et 24,5°, sur une période d’environ 41 000 ans. Ces variations lentes, associées à celles de l’excentricité, sont les paramètres de Milankovitch, invoqués pour expliquer l’alternance des périodes glaciaires. À l’échelle d’une année scolaire, l’obliquité peut être considérée comme constante.

Ordres de grandeur

Obliquité actuelle : 23,44°, soit 23°26′, et elle diminue d’environ 0,013° par siècle. Latitude des tropiques : 23,4°. Latitude des cercles polaires : 66,6°. Période de précession : environ 26 000 ans. Obliquité de Mars : 25,2°, très proche de celle de la Terre. Obliquité de Vénus : 177°, la planète tourne pratiquement à l’envers. Obliquité d’Uranus : 98°, l’axe est presque couché dans le plan de l’orbite.

Formule

L’obliquité ε est l’angle entre l’axe de rotation terrestre et la normale au plan de l’écliptique :

ε ≈ 23,44°

Elle fixe l’amplitude de la déclinaison solaire au cours de l’année :

−ε ≤ δ ≤ +ε

où :

• δ : déclinaison du Soleil, position angulaire par rapport à l’équateur céleste (°)
• ε : obliquité de l’écliptique (°)

La hauteur du Soleil au midi solaire relie l’obliquité à une mesure faisable en classe :

h = 90° − φ + δ

où :

• h : hauteur angulaire du Soleil à midi solaire (°)
• φ : latitude du lieu (°)

En mesurant h aux deux solstices, on retrouve l’obliquité :

ε = (h_solstice_juin − h_solstice_décembre) / 2

L’obliquité fixe aussi la latitude des tropiques et des cercles polaires :

φ_tropique = ε et φ_cercle_polaire = 90° − ε

Exemples d’application

• À Paris (48,9° N), la hauteur du Soleil à midi passe de 64,5° en juin à 17,7° en décembre. La demi-différence vaut (64,5 − 17,7) / 2 = 23,4° : on retrouve l’obliquité par une mesure d’élève.

• Le tropique du Cancer est à la latitude 23,4° N et le cercle polaire arctique à 90 − 23,4 = 66,6° N. Ces deux lignes ne sont pas des conventions : elles sont directement fixées par l’obliquité.

• Ératosthène, vers 240 av. J.-C., mesura l’ombre d’un gnomon à Alexandrie et à Syène pour estimer la circonférence de la Terre. La même méthode, appliquée aux deux solstices en un seul lieu, donne l’obliquité.

• Sur Uranus, dont l’axe est incliné de 98°, chaque pôle reste éclairé en continu pendant environ 42 ans terrestres, puis plongé dans la nuit pendant la même durée.

• Les cadrans solaires et les alignements d’édifices antiques aux solstices exploitent la position extrême du Soleil imposée par l’obliquité.

• L’orientation optimale d’un panneau solaire fixe se calcule à partir de la latitude et de la plage de déclinaison ±23,4°.

FAQ

Q : Pourquoi la Terre est-elle inclinée ? R : L’hypothèse dominante attribue cette inclinaison aux impacts géants subis pendant la formation du système solaire, notamment la collision qui aurait donné naissance à la Lune. Rien n’imposait un axe perpendiculaire à l’orbite : les autres planètes présentent des obliquités très variées.

Q : L’axe de la Terre bascule-t-il au cours de l’année ? R : Non. Il garde une direction quasi fixe dans l’espace, tournée vers l’étoile polaire. C’est précisément cette fixité qui produit l’alternance des saisons : la Terre change de position sur son orbite, pas son axe d’orientation.

Q : L’inclinaison de la Terre et l’inclinaison magnétique, est-ce la même chose ? R : Non, ce sont deux notions sans rapport. L’inclinaison de la Terre est l’obliquité de son axe de rotation, 23,4°, la même partout sur le globe. L’inclinaison magnétique est l’angle entre le champ magnétique local et l’horizontale, elle dépend du lieu et se mesure avec le magnétomètre.

Q : Pourquoi lit-on tantôt 23,4°, tantôt 23,5° ? R : La valeur exacte est 23,44°, soit 23°26′. Selon l’arrondi retenu on trouve 23,4° ou 23,5° dans la littérature. La différence est sans conséquence pour les calculs scolaires.

Q : Que se passerait-il si l’obliquité était nulle ? R : Il n’y aurait plus de saisons : le Soleil garderait la même hauteur à midi toute l’année en un lieu donné et le jour durerait 12 h partout. Une obliquité beaucoup plus forte, à l’inverse, produirait des étés et des hivers extrêmes jusqu’à l’équateur.

Concepts liés

Saisons - Solstice - Équinoxe - Déclinaison solaire - Théodolite - Inclinomètre - Latitude - Précession - Inclinaison magnétique