Hauteur du Soleil et saisons

La hauteur du Soleil dans le ciel varie au cours de la journée en raison de la rotation de la Terre sur son axe. La Terre effectue une rotation complète sur elle-même en 24 heures, ce qui fait que le Soleil semble se déplacer d'est en ouest dans le ciel. Le matin, au lever, le Soleil est près de l'horizon à l'est. Il monte progressivement jusqu'à atteindre sa hauteur maximale à midi solaire, puis redescend vers l'horizon à l'ouest jusqu'au coucher.

La hauteur maximale du Soleil dans le ciel dépend de trois facteurs : l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre (environ 23,5 degrés), la latitude de l'observateur et la position de la Terre sur son orbite autour du Soleil, c'est-à-dire la saison. L'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre est le facteur fondamental. Cet axe est incliné d'environ 23,5 degrés par rapport au plan de l'orbite terrestre autour du Soleil. Cette inclinaison fait que, selon la position de la Terre sur son orbite, les rayons du Soleil arrivent avec un angle plus ou moins vertical sur une région donnée.

Au fur et à mesure que la Terre orbite autour du Soleil, l'hémisphère Nord reçoit plus de lumière et de chaleur pendant l'été, tandis que l'hémisphère Sud en reçoit moins. En hiver, c'est l'inverse. Aux équinoxes, les deux hémisphères sont éclairés de la même façon : la durée du jour est d'environ 12 heures partout sur Terre, et deux lieux situés à la même latitude, l'un au nord et l'autre au sud, voient le Soleil monter à la même hauteur maximale (90° moins la latitude). La latitude est la mesure de la distance angulaire d'un point de la Terre par rapport à l'équateur.

Plus on se rapproche des pôles, plus la hauteur maximale du Soleil dans le ciel diminue : aux latitudes élevées, les rayons arrivent de façon plus rasante, c'est-à-dire avec un angle plus faible par rapport au sol. C'est pourquoi ils réchauffent moins la surface. On peut calculer la hauteur maximale du Soleil à partir de la latitude. Au solstice d'été, elle vaut (90 - latitude + 23,5) degrés, soit environ 65 degrés pour Paris (latitude 48°N).

Au solstice d'hiver, elle vaut (90 - latitude - 23,5) degrés, soit environ 18 degrés pour Paris. Aux équinoxes, elle vaut (90 - latitude) degrés, soit environ 42 degrés. Le midi solaire, moment où le Soleil est au plus haut, ne correspond pas exactement à 12h00 de l'heure légale. Ce décalage a plusieurs causes : le fuseau horaire (l'heure légale est la même pour tout un fuseau, quelle que soit la longitude exacte du lieu), l'heure d'été (en France, les horloges sont avancées d'une heure supplémentaire d'avril à octobre : en été, le midi solaire tombe vers 14 h à Paris), et l'équation du temps, une variation de quelques minutes au fil de l'année due à la fois à l'orbite légèrement elliptique de la Terre et à l'inclinaison de son axe.

Comprendre la hauteur du Soleil est essentiel pour de nombreuses applications. Les architectes utilisent ces données pour concevoir des habitations éco-énergétiques avec des auvents qui laissent entrer le soleil bas d'hiver mais bloquent le soleil haut d'été. Les installateurs de panneaux solaires orientent les panneaux pour capter un maximum de lumière. Les agriculteurs comprennent ainsi les variations de chaleur et de lumière reçues par leurs cultures au fil des saisons.

Pour aller plus loin : La Terre en mouvement (Fondation La main à la pâte) propose une progression complète sur les saisons au cycle 3 | La course du Soleil permet de visualiser en classe le trajet du Soleil selon la saison.