Le soleil, cet astre essentiel à la vie sur Terre, est au cœur de nos journées. Nous le voyons se lever et se coucher, briller de mille feux, se voiler parfois et même, de temps à autre, s’éclipser. Le 3 mai est d'ailleurs la Journée mondiale du soleil, une occasion de mieux connaître cet astre. Mais pourquoi le soleil se couche-t-il ? Cet article explore l'explication scientifique derrière ce phénomène quotidien, en partant des bases de l'astronomie jusqu'aux subtilités de l'atmosphère terrestre.
Le Soleil : Une étoile au cœur de notre système
Le Soleil est une étoile, tout comme celles que nous apercevons scintiller dans le ciel nocturne. Il s'agit de l'étoile la plus proche de notre planète. Une étoile est une sphère immense constituée de gaz extrêmement chauds, qui génère une quantité phénoménale d'énergie. Cette énergie est émise sous forme de lumière et de chaleur, indispensables à la vie sur Terre.
Quand le Soleil illumine une partie de la Terre, l’autre est plongée dans l’obscurité. Le Soleil détermine ainsi nos jours et nos nuits. Nous vivons donc au rythme du Soleil, et sa chaleur et sa lumière ont permis le développement de la vie sur Terre. Le Soleil existe depuis 4,5 milliards d’années, et il lui reste encore une durée de vie similaire. Bien qu'il puisse sembler calme, le Soleil connaît des périodes d'activité intense tous les onze ans, se manifestant par des taches sombres et des éruptions de gaz brûlant. Ces éruptions, lorsqu'elles atteignent l'atmosphère terrestre, créent de magnifiques aurores boréales et australes autour des cercles polaires.
Structure interne du Soleil
La partie opaque du Soleil est aujourd’hui abordée par le calcul ou la sismologie. Elle comprend :
Une zone dite radiative avec un cœur où les réactions nucléaires transforment les ions hydrogène en hélium ; cœur et zone radiative représentent 98 % de la masse du Soleil ;
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Une zone dite convective, plus externe.
Le nom de ces zones est lié au mode de transport de l’énergie, produite dans la partie centrale et évacuée ensuite vers l’extérieur du Soleil. Le transport se fait soit par radiation (propagation sous forme d’ondes électromagnétiques) soit par convection (principe du radiateur électrique : le chauffage entraîne le déplacement des particules, c’est le mouvement de la matière qui assure le transfert de la chaleur).
Le cœur du Soleil représente 50 % de sa masse. Cette région est le lieu des réactions de fusion nucléaire. La température est de 15 millions de degrés au centre, elle diminue quand on s’éloigne du centre. Dans la zone radiative, l’énergie est transportée par radiation. Cette région est le siège de nombreuses interactions entre les photons et les différents éléments présents. Ces collisions avec la matière se traduisent pour les photons par des phénomènes d’absorption-réémission (plusieurs millions de fois) qui les ralentissent et dégradent leur énergie. Le temps de diffusion des photons est très long, de l’ordre du million d’années, alors que la lumière émise depuis la surface ne met que 8 minutes pour atteindre la Terre. La température de sa partie la plus externe est de 2 millions de degrés. Dans la zone convective, de turbulents mouvements de plasma assurent le transfert d’énergie vers l’extérieur. Des bulles de matière chaude montent, se refroidissent et redescendent. C’est un transport convectif analogue à celui observé dans une casserole d’eau chaude.
L'atmosphère solaire
La partie visible du Soleil regroupe la photosphère (frontière avec la zone opaque), la chromosphère et la couronne.
La photosphère contribue pour 99 % au rayonnement solaire. Cette surface de quelques centaines de kilomètres est une frontière virtuelle entre l’intérieur du Soleil (zone radiative avec son cœur et zone convective) et son atmosphère (chromosphère et couronne). Sa température est d’environ 6 000 °C. L’observation de la photosphère montre des granules dont le centre est plus brillant que le pourtour. Ces zones, d’un diamètre de 1 000 km environ, ont une surface individuelle comparable à celle de la France. Leur durée de vie est de quelques minutes. Cette structure granulaire reflète les mouvements de la matière chaude qui bouillonne dans la zone convective ; la périphérie des granules, plus sombre, correspond à de la matière refroidie. Des régions sombres étendues, les taches solaires, peuvent atteindre plusieurs centaines de milliers de kilomètres de diamètre. Elles apparaissent ou disparaissent en groupe et reviennent régulièrement selon un rythme d’environ onze ans. Leur observation permet de mesurer la rotation superficielle du Soleil ; c’est ainsi que Galilée avait découvert, dès 1613, que le Soleil tourne sur lui-même. On sait aujourd’hui que les taches solaires correspondent à des zones traversées par des champs magnétiques de plusieurs milliers de fois le champ magnétique terrestre. Ces champs magnétiques freinent les particules chargées, la température diminue (4 000 °C) et la zone devient plus sombre.
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La chromosphère est une couche très hétérogène d’une épaisseur moyenne de 2 000 à 3 000 km. Sa température est de plusieurs milliers de degrés et croît vers l’extérieur pour atteindre 20 000 °C. Elle est visible de courts instants lors des éclipses totales. Théâtre d’une intense activité, c’est là que naissent les éruptions solaires, phénomènes violents pouvant se répandre en quelques minutes à des centaines de milliers de kilomètres. Entre la chromosphère et la couronne, une zone de transition fait apparaître une montée brutale de température jusqu’à un million de degrés vers l’extérieur. Cette montée de température est liée à des effets du champ magnétique. Ces mécanismes complexes sont aujourd’hui étudiés grâce à de nombreux satellites, dont Soho.
La couronne est la couche la plus externe de l’atmosphère du Soleil. Sa température est de l’ordre du million de degrés et sa densité est 100 millions de fois plus faible que celle de la Terre. Elle s’étend jusqu’à des distances égales à plusieurs rayons solaires et se fond dans le milieu interplanétaire. La photosphère est tellement brillante qu’elle empêche d’observer la couronne, sauf lors des éclipses totales du Soleil. En dehors de ces périodes, on utilise des coronographes, dispositifs occultant la lumière du disque de la photosphère.
La rotation de la Terre : l'illusion du coucher de soleil
Le coucher de soleil est le moment où le Soleil disparaît derrière l'horizon, en direction de l'Ouest. Il s'agit d'un événement quotidien causé par la rotation de la Terre. L'expression "coucher de soleil" est en réalité une apparence, car le Soleil ne se couche pas physiquement. C'est le mouvement de rotation de la Terre qui donne cette impression. Notre planète tourne sur elle-même, d'ouest en est, en environ 24 heures, ce qui crée l'alternance du jour et de la nuit.
La trajectoire du soleil et les saisons
Il est courant de dire que le soleil se lève à l'Est et se couche à l'Ouest, mais il s'agit d'une approximation. Cela n'est vrai que deux fois par an, lors des équinoxes de printemps et d'automne. Quel que soit le lieu d'observation sur Terre, les points de lever et de coucher du Soleil se déplacent vers le Nord après l'équinoxe de printemps et atteignent leur écart maximum par rapport à l'Est et à l'Ouest lors du solstice d'été. Ensuite, les points de lever et de coucher redérivent à nouveau pour retrouver l'axe Est-Ouest à l'équinoxe d'automne.
Pour illustrer ce phénomène, on peut calculer les positions successives du soleil à des intervalles de 4 minutes le 3 juillet 2005 ; au solstice (20 juin), la trajectoire se situe à droite à environ un diamètre solaire.
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Au printemps et en automne, le Soleil se lève et se couche en faisant un angle maximal par rapport à l'horizon. En été, l'angle est plus petit, et en hiver, il est encore plus petit. En été et en hiver, le Soleil fait un angle plus faible et se couche plus lentement. (Le crépuscule d'été est plus long que celui d'hiver parce qu'une fois le Soleil sous l'horizon, l'angle de sa trajectoire continue à décroître, alors qu'en hiver il croît.) En été, dans les hautes latitudes, quand le Soleil est presque "de minuit", on le voit descendre interminablement tout en s'approchant du nord. Il se couche peu de temps, puis réapparaît et monte lentement.
L'angle entre l'écliptique et l'horizon varie au cours des saisons. Il est maximum le soir au printemps et le matin en automne. C'est pourquoi ce sont les deux périodes où on voit le moins difficilement Mercure, et où Vénus est visible même en pleine nuit.
Quand il est au-dessus, c'est l'été, l'hiver s'il est en dessous. Il n'y a pas de basculement brusque. Le passage du jour à la nuit est progressif. De même que quand le soleil se couche, la nuit n'arrive pas immédiatement. Il y a une période de crépuscule (et aussi le matin, le jour se lève avant le soleil). Ensuite, ce n'est pas symétrique. Car il fait jour sans que le Soleil soit au-dessus de l'horizon, donc il y a plus de jour que de nuit.
L'inclinaison de la Terre et les saisons
Si l'axe de la Terre était bien droit, c'est-à-dire perpendiculaire au plan de son orbite, quel que soit l'endroit sur Terre, la journée durerait 12 heures (+ la durée des crépuscules). Faisons une petite expérience pour comprendre ce phénomène : prenons une lampe qui illumine sur 360 degrés (tout autour d’elle) pour représenter le Soleil, et un globe terrestre. On observe qu’une moitié du globe est à l’ombre (c’est la nuit) et l’autre moitié est éclairée (c’est le jour). Les lignes sur le globe où l’ombre rencontre la lumière représentent les régions qui sont dans la pénombre, entre le jour et la nuit (dans ce cas là, elles coïncident avec des méridiens terrestres). Aussi, on observe que l’éclairage est symétrique par rapport à l’équateur. L’angle d’incidence des rayons du soleil dépend de la distance à l’équateur, mais pas de l’hémisphère Nord ou Sud. Pour représenter le passage d’une journée, faisons tourner le globe sur son axe (un tour = une journée = 24 h). Pendant le passage d’une journée la situation aux pôles ne change pas. Conclusion : « Si l’axe terrestre était vertical par rapport au plan de rotation autour du soleil, il n’y aurait pas de saisons sur la Terre, et en particulier, les pôles seraient dans une éternelle pénombre!!
On observe que l’éclairage n’est plus symétrique par rapport à l’équateur et que les lignes de jonction entre le jour et la nuit ne sont plus des méridiens terrestres : un hémisphère (le Nord dans l’exemple) est plus éclairé que l’autre. Dans l’hémisphère le plus éclairé, les régions éclairées sont plus étendues, en conséquence, il présente des jours plus longs que l’autre hémisphère. Inversement, l’hémisphère moins éclairé présente des longues nuits. Après un demi-tour, nous observons que l’hémisphère le plus éclairé passe à être le moins éclairé: il passe de l’été à l’hiver. Pendant ce demi-tour l’autre hémisphère (Sud dans l’exemple) passe de l’hiver à l’été.
Les couleurs du coucher de soleil : un phénomène atmosphérique
Le coucher de soleil est un spectacle à la fois énigmatique et captivant. Avez-vous déjà remarqué les couleurs flamboyantes qui embrasent le ciel à ce moment précis de la journée ? Ce phénomène est dû à l'interaction de la lumière solaire avec l'atmosphère terrestre.
Lorsque le Soleil est haut dans le ciel, la lumière blanche qu'il émet traverse une couche relativement mince de l'atmosphère. Cependant, lorsque le Soleil se rapproche de l'horizon, ses rayons doivent traverser une plus grande épaisseur d'atmosphère. C'est là que le phénomène de diffusion entre en jeu.
La diffusion de Rayleigh
La diffusion de Rayleigh est un phénomène physique qui explique pourquoi le ciel est bleu en journée et pourquoi les couchers de soleil sont souvent rouges ou orangés. Ce type de diffusion se produit lorsque la lumière interagit avec des particules dont la taille est petite par rapport à la longueur d'onde de la lumière. Dans l'atmosphère terrestre, ces particules sont principalement des molécules d'azote et d'oxygène.
La lumière bleue, ayant une longueur d'onde plus courte, est diffusée plus efficacement que la lumière rouge. C'est pourquoi, en journée, nous voyons un ciel bleu : la lumière bleue est diffusée dans toutes les directions par les molécules de l'atmosphère.
L'explication des couleurs chaudes
Au coucher du soleil, lorsque la lumière doit parcourir une plus grande distance à travers l'atmosphère, la lumière bleue est presque entièrement diffusée et dispersée. Seules les longueurs d'onde plus longues, comme le rouge et l'orange, parviennent à atteindre nos yeux. C'est pourquoi le ciel prend des teintes chaudes et flamboyantes lors du coucher de soleil.
La couleur orange d'un coucher de soleil s'explique facilement. La lumière du soleil est progressivement appauvrie en faibles longueurs d'onde (bleu et vert) lorsqu'elle traverse l'atmosphère. Les photons qui nous parviennent sont ceux qui ont été diffusés. D'abord jaune, le soleil va devenir rouge orange.
Facteurs influençant les couleurs
L'intensité et la couleur d'un coucher de soleil peuvent varier en fonction de plusieurs facteurs, notamment :
- La présence de particules dans l'air : La pollution, la poussière ou les cendres volcaniques peuvent intensifier les couleurs du coucher de soleil en diffusant davantage la lumière.
- L'humidité : L'humidité peut également influencer la diffusion de la lumière et modifier les couleurs du coucher de soleil.
- L'altitude : En altitude, l'atmosphère est plus fine et la diffusion est moins importante, ce qui peut donner des couchers de soleil moins colorés.
Le rayon vert et le soleil rouge
Le rayon vert est un phénomène optique de réfraction dû à l'atmosphère lorsque le soleil se couche. En s'approchant de l'horizon, on peut parfois voir le soleil rougir. Bien sûr le Soleil ne change pas de couleur, mais c'est l'atmosphère qui lui donne cette apparence : les rayons solaires traversent une épaisseur d'atmosphère plus importante, et la diffusion, également plus importante ne laisse alors que la couleur rouge.
Le soleil découpé
Le soleil découpé, ou plus exactement, en franges, est un effet atmosphérique un peu particulier, et surtout, beaucoup plus rare.
Observer et apprécier le coucher de soleil
Pour profiter pleinement de ce spectacle naturel, il est important de choisir un lieu d'observation dégagé, avec une vue vers l'ouest. La "golden hour", cette période juste avant le coucher du soleil, offre une lumière particulièrement douce et chaude, idéale pour la photographie.
Le coucher de soleil est aussi une invitation à prendre conscience de notre environnement avec tous nos sens. Écoutez les sons de la nature, respirez l'air frais et laissez-vous émerveiller par la beauté du monde qui nous entoure.
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