Saisons

Une saison est une période de l’année aux conditions climatiques spécifiques, influencées par l’inclinaison axiale de la Terre et sa révolution autour du Soleil. Les saisons affectent les températures, les précipitations, l’ensoleillement et les phénomènes naturels comme la croissance des plantes et le comportement des animaux.

Observer expérimentalement les saisons

FizziQ mesure la hauteur du Soleil au-dessus de l’horizon grâce au théodolite, qui utilise l’accéléromètre du smartphone comme inclinomètre. En répétant la mesure à plusieurs dates de l’année, on met en évidence la cause réelle des saisons.

Étapes :

• Choisir un lieu dégagé au sud et noter la date. Se placer toujours au même endroit pour toutes les séances de l’année.
• Ouvrir FizziQ et sélectionner l’outil Théodolite. Viser le Soleil sans jamais le regarder directement : orienter le smartphone jusqu’à ce que son ombre soit la plus courte possible, ou viser l’extrémité de l’ombre d’un piquet vertical.
• Relever la hauteur angulaire du Soleil au moment de son passage au méridien (midi solaire, vers 13 h 40 en France métropolitaine à l’heure d’été).
• Noter aussi les heures de lever et de coucher du Soleil du jour, et en déduire la durée du jour.
• Refaire la mesure toutes les trois ou quatre semaines, et au minimum aux quatre dates clés : équinoxes de mars et de septembre, solstices de juin et de décembre.
• Tracer la hauteur du Soleil à midi et la durée du jour en fonction de la date, et comparer les deux courbes.

Activités scientifiques sur ce thème

• Durée du jour et saisons - les élèves comparent les heures de lever et de coucher du Soleil aux quatre saisons et relient l’allongement du jour à l’inclinaison de l’axe terrestre.
• Hauteur du Soleil et saisons

En savoir plus

Les saisons ne viennent pas de la distance Terre-Soleil

C’est la conception erronée la plus répandue de toute l’astronomie scolaire : on croit qu’il fait chaud en été parce que la Terre serait plus proche du Soleil. C’est faux, et deux arguments le montrent sans appel.

D’abord, la Terre passe au périhélie - sa position la plus proche du Soleil - au début du mois de janvier, c’est-à-dire en plein hiver dans l’hémisphère nord. Elle est au contraire à l’aphélie, au plus loin, début juillet, en plein été boréal. La distance varie donc à contretemps de ce que la fausse explication prédit.

Ensuite, l’orbite terrestre est presque circulaire : son excentricité vaut e ≈ 0,0167. La distance Terre-Soleil passe de 147,1 millions de km au périhélie à 152,1 millions de km à l’aphélie, soit une variation de seulement 3,4 %. L’énergie reçue varie comme l’inverse du carré de la distance, ce qui ne représente qu’environ 7 % d’écart - dérisoire face aux écarts saisonniers de température.

L’argument imparable reste celui-ci : lorsque c’est l’été en France, c’est l’hiver en Australie. Or les deux hémisphères sont à la même distance du Soleil au même instant. Une cause liée à la distance produirait la même saison partout ; ce n’est pas ce qu’on observe.

La vraie cause : l’inclinaison de l’axe de rotation

L’axe de rotation de la Terre est incliné de 23,4° par rapport à la perpendiculaire au plan de son orbite. Cet axe garde une direction quasi fixe dans l’espace au cours de l’année : il pointe toujours vers l’étoile polaire. Au fil de la révolution, c’est donc tantôt l’hémisphère nord, tantôt l’hémisphère sud qui se trouve penché vers le Soleil. C’est ce basculement apparent, et non un changement de distance, qui crée les saisons.

Deux effets qui s’additionnent : angle d’incidence et durée du jour

Quand un hémisphère est penché vers le Soleil, deux choses se produisent en même temps. Les rayons arrivent plus verticalement : un même faisceau lumineux se répartit sur une surface au sol plus petite, donc la puissance reçue par mètre carré augmente. Et le Soleil reste plus longtemps au-dessus de l’horizon : la durée d’ensoleillement s’allonge. À Paris, le jour dure environ 16 h 10 au solstice de juin contre 8 h 15 au solstice de décembre. Les deux effets vont dans le même sens et se cumulent.

Le décalage saisonnier

Le jour le plus long est le 21 juin, mais le mois le plus chaud est juillet ou août. Ce retard d’environ un mois vient de l’inertie thermique : les océans et les sols continuent d’accumuler de la chaleur tant que le bilan énergétique reste positif. La température maximale n’est donc pas atteinte au maximum d’ensoleillement, mais lorsque les gains et les pertes s’équilibrent.

Ordres de grandeur

Inclinaison de l’axe : 23,4°. Hauteur du Soleil à midi à Paris (latitude 48,9°) : environ 64,5° au solstice de juin, 41,1° aux équinoxes, 17,7° au solstice de décembre. Durée du jour à Paris : 16 h 10 en juin, 12 h aux équinoxes, 8 h 15 en décembre. Éclairement solaire au sommet de l’atmosphère : environ 1361 W/m² (constante solaire). Variation de distance Terre-Soleil sur l’année : 3,4 %.

Formule

La hauteur du Soleil au-dessus de l’horizon au midi solaire s’écrit :

h = 90° − φ + δ

où :

• h : hauteur angulaire du Soleil à midi solaire (°)
• φ : latitude du lieu (°, positive vers le nord)
• δ : déclinaison du Soleil, c’est-à-dire sa position angulaire par rapport à l’équateur céleste (°)

La déclinaison varie au cours de l’année entre −23,4° (solstice de décembre) et +23,4° (solstice de juin), et vaut 0° aux équinoxes. Une approximation courante donne :

δ ≈ 23,4° × sin(360° × (n − 81) / 365)

où n est le numéro du jour dans l’année (n = 1 le 1er janvier).

La puissance solaire reçue par unité de surface horizontale dépend de cette hauteur :

P = P₀ × sin(h)

où :

• P : puissance surfacique reçue au sol (W/m²)
• P₀ : puissance surfacique du faisceau incident (W/m²)
• h : hauteur du Soleil (°)

Exemples d’application

• À Paris (48,9° N) au solstice de juin, la hauteur du Soleil à midi vaut 90 − 48,9 + 23,4 = 64,5°. Au solstice de décembre : 90 − 48,9 − 23,4 = 17,7°.

• Le facteur sin(h) passe ainsi de 0,90 en juin à 0,30 en décembre à Paris : un mètre carré de sol horizontal reçoit trois fois moins d’énergie par seconde en hiver, à ensoleillement égal.

• Au cercle polaire arctique (66,6° N), la hauteur du Soleil à midi au solstice de décembre vaut 0° : le Soleil effleure l’horizon sans se lever, c’est la nuit polaire.

• À l’équateur (0°), la hauteur du Soleil à midi reste comprise entre 66,6° et 90° toute l’année, et la durée du jour vaut environ 12 h en permanence : il n’y a pas de saisons thermiques marquées, mais une alternance saison sèche / saison des pluies.

• Les panneaux solaires fixes sont inclinés d’un angle proche de la latitude du lieu pour compenser la hauteur moyenne du Soleil et maximiser le rendement annuel.

• Un cadran solaire horizontal doit avoir son style parallèle à l’axe de rotation terrestre, donc incliné d’un angle égal à la latitude : sa conception dépend directement de la géométrie qui produit les saisons.

FAQ

Q : Pourquoi fait-il plus chaud en été si la Terre est plus loin du Soleil ? R : Parce que la distance n’est pas le paramètre déterminant. La variation de distance sur l’année n’est que de 3,4 %, alors que la hauteur du Soleil à midi varie de près de 47° sous nos latitudes. C’est l’angle d’incidence des rayons et la durée du jour qui font la saison.

Q : Pourquoi les saisons sont-elles inversées dans l’hémisphère sud ? R : Parce que l’axe terrestre garde une direction fixe : quand l’hémisphère nord est penché vers le Soleil, l’hémisphère sud est penché à l’opposé. Les deux hémisphères sont à la même distance du Soleil, ce qui montre bien que la distance n’explique rien.

Q : Que se passerait-il si l’axe de la Terre n’était pas incliné ? 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 en permanence. Seule subsisterait la faible variation liée à l’excentricité de l’orbite.

Q : Pourquoi le jour le plus long n’est-il pas le jour le plus chaud ? R : À cause de l’inertie thermique des sols et surtout des océans, qui mettent des semaines à se réchauffer. La température continue de monter tant que la Terre reçoit plus d’énergie qu’elle n’en perd, d’où un décalage d’environ un mois.

Q : Comment viser le Soleil sans danger pour mesurer sa hauteur ? R : Il ne faut jamais regarder le Soleil directement, ni à l’œil nu ni à travers l’écran en visée. On mesure sa hauteur indirectement : on plante un bâton vertical de hauteur H, on mesure la longueur L de son ombre, et la hauteur du Soleil vaut arctan(H/L).

Concepts liés

Inclinaison (de la Terre) - Théodolite - Inclinomètre - Solstice - Équinoxe - Déclinaison solaire - Latitude - Éclairement - Constante solaire