Le spectacle quotidien du lever et du coucher du soleil est un événement qui captive l'humanité depuis des siècles. On connaît tous la phrase : « le soleil se lève à l’Est et se couche à l’Ouest ». Cette petite phrase est une mine d’or pour ne plus jamais vous tromper sur l’orientation ! Ce qui nous donne une formule facile à retenir : Le soleil se lève à l’Est et se couche à l’Ouest ! Mais cette apparente simplicité cache une réalité plus complexe, influencée par la rotation de la Terre, son inclinaison et notre position géographique. Cet article explore en détail pourquoi le soleil semble se lever et se coucher, comment l'inclinaison de la Terre affecte sa position, et les variations de durée du crépuscule à différentes latitudes.
L'Illusion du Mouvement Solaire : La Terre en Rotation
Le lever du Soleil est ce moment magique où notre étoile semble apparaître à l’horizon, et son coucher celui où elle disparaît derrière lui. Mais saviez-vous que ce n’est qu’une illusion ? C’est notre propre planète, la Terre, qui, en tournant sur elle-même (autour de son axe), donne cette impression de mouvement au Soleil. Un peu comme si vous tourniez sur vous-même et que les objets autour de vous semblaient bouger ! Non, pas dans le sens où il tournerait autour de la Terre. C’est la Terre qui tourne sur elle-même (en 24 heures) et autour du Soleil (en un an). La Terre est inclinée sur son axe. Le lever du Soleil est le moment exact où le premier rayon du Soleil apparaît à l’horizon. L’aube est la période de lumière diffuse avant le lever du Soleil.
Variations Saisonnières : L'Inclinaison de la Terre en Jeu
Si le Soleil se lève toujours globalement à l’Est et se couche à l’Ouest, vous avez peut-être remarqué qu’il ne le fait pas exactement au même endroit chaque jour de l’année. Cela est dû à l’inclinaison de l’axe de la Terre ! Notre planète ne tourne pas « droite » par rapport à son orbite autour du Soleil, elle est légèrement penchée. En été, dans l’hémisphère Nord, la Terre est penchée de sorte que le Soleil semble se lever plus au nord-est et se coucher plus au nord-ouest. En hiver, c’est l’inverse : le Soleil se lève plus au sud-est et se couche plus au sud-ouest. Aux équinoxes (printemps et automne, vers le 20 mars et le 22 septembre), le Soleil se lève et se couche exactement à l’Est et à l’Ouest.
Les Solstices : Points Culminants de l'Inclinaison Terrestre
À la différence du solstice d’hiver, jour le plus court de l’année, le solstice d’été est le jour le plus long de l’année dans l’hémisphère nord. Le solstice d’été correspond à la plus longue journée en France comme dans tout l’hémisphère nord. La raison ? L’inclinaison de la Terre, dont l’axe de rotation est penché à environ 23°. En conséquence, l’exposition au Soleil du globe n’est pas la même partout tout au long de l’année. Le soleil reste plus ou moins longtemps visible dans le ciel selon la position de la Terre sur son orbite. C’est pourquoi les jours sont plus longs en été et plus courts en hiver.
Le solstice d’été correspond au moment où la Terre atteint un point sur son orbite où le nord de son axe de rotation est le plus orienté vers le Soleil. Cette différence culmine respectivement avec le solstice d’été et le solstice d’hiver. Plus on se rend vers l’équateur, moins cet écart dans la longueur des jours est sensible. Cela explique également pourquoi le Soleil ne se couche jamais vraiment en Arctique et pourquoi il fait quasiment toujours nuit en Antarctique. Les répercussions de l’inclinaison de la Terre sur la vie terrestre sont ainsi majeures sur toute sa surface.
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La journée la plus longue de l’été est aussi la plus longue de l’année. En effet, l’été est déjà la saison où l’hémisphère nord (mais aussi l’hémisphère sud au cours des mois opposés) est au plus près du Soleil en raison de l’inclinaison de la Terre. Par conséquent, la journée la plus longue de l’année ne peut avoir lieu qu’en été.
La date précise de cette journée est cependant variable. Certaines années, elle tombe le 21 juin, mais aussi parfois la veille, le 20 juin. Il arrive plus rarement que la journée la plus longue de l’été soit un 22 juin, comme en 1975. Cette variabilité s’explique par le découpage temporel du calendrier grégorien qui rythme notre année. En effet, il a fixé la durée d’un an à 365 jours et compense son inexactitude par l’introduction d’une journée supplémentaire tous les 4 ans, lors d’années dites bissextiles. C’est pourquoi la journée la plus longue de l’été ne revient pas à date fixe sur le calendrier, même si elle l’est bien en temps universel. Pour éviter toute complication, la date du 21 juin a tout de même été conservée pour décréter officiellement le début de l’été.
Le 21 juin est le jour le plus long de l’année dans l’hémisphère nord (et le plus court dans l’hémisphère sud), c’est en raison de l’inclinaison de la Terre. En effet, notre planète ne se tient pas droite sur son orbite autour du Soleil, mais présente un angle de plus de 23° par rapport à son axe de rotation. Toute la surface de la Terre n’est donc pas exposée de la même manière au soleil, entre hémisphère nord et hémisphère sud, mais aussi en fonction des moments de l’année.
Ainsi, le 21 juin est le jour le plus long, car l’hémisphère nord est au plus près du soleil. Par conséquent, ce dernier apparaît plus haut dans le ciel et met plus de temps à passer sous la ligne d’horizon. À noter que le 21 juin est le jour le plus long de l’année la plupart du temps, mais il arrive que ce soit le 20 juin voire le 22 juin.
La Durée Variable du Crépuscule
Le crépuscule est la durée pendant laquelle la lumière du Soleil nous parvient bien qu’il soit déjà passé sous la ligne d’horizon. Sa lumière est diffusée par l’atmosphère.
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Le soleil ne se couche pas plus vite sous l'équateur qu'en France Métropolitaine. Lorsqu’il passe sous l’horizon, nous percevons encore sa lumière, plus ou moins longtemps suivant les saisons. Le crépuscule astronomique enfin, qui se termine alors que le Soleil est abaissé de 18° sous l'horizon. La durée des crépuscules change d'un jour à l'autre et pour deux endroits situés à des latitudes différentes. Si l’on prend la latitude moyenne de la France, soit 45°, le crépuscule civil dure de 31 minutes fin septembre-début octobre, à 39 minutes fin juin. L'amplitude de ces variations diminue à l'approche de l'équateur. C'est d'ailleurs cette faible variation au cours de l'année qui fait dire qu'il n'y a pas de crépuscule sous l'équateur et que la nuit y tombe brutalement. Dans la réalité, il y a bien trois crépuscules, mais le civil varie de 22 à 24 minutes, le nautique de 46 à 50 minutes et l'astronomique de 1 h 10 à 1 h 16. Comme la détermination de la fin d'un crépuscule n'est pas une chose précise, quelques minutes de variation au cours d'une année ne se remarquent pas. Début octobre, en France Métropolitaine, la nuit noire apparaitra donc 3h15 après le coucher du soleil. Sous l’équateur, il fera nuit noire 2h16 à 2h30 après le passage du soleil sous l’horizon. Ce qui peut être aussi déstabilisant pour des occidentaux, c’est que la nuit tombe si vite, si tôt dans la journée.
Le crépuscule "perçu" correspond à une certaine luminosité, qui persiste alors même que le soleil est couché, de l'angle que font les rayons du soleil par rapport à l'horizon et des conditions atmosphériques. Même en excluant les temps nuageux, le taux d'humidité, ou de poussières, dans l'air, a une incidence sur la luminosité qui sera perçue par un observateur extérieur, pour un angle donné. On peut définir un crépuscule "formel" : le crépuscule est ainsi conventionnellement considéré comme durant du coucher du soleil au moment où celui-ci fait un angle γ donné au-dessous de l'horizon. Cette définition ne tient pas compte des conditions atmosphériques (variables de jour en jour).
Au Pôle Nord, le crépuscule astronomique dure tant que le Soleil ne s’est pas abaissé à plus de 18° sous l’horizon, ce qui se produit du 13 novembre au 29 janvier. Il s’ensuit qu’au lieu de six mois, la nuit polaire ne dure que onze ou douze semaines. Le soleil ne s’abaisse pas de 18° au-dessous de l’horizon lorsque la somme algébrique de sa déclinaison et de la latitude du lieu est au moins égale à 72° en valeur absolue. Sous nos latitudes, il ne fait pas toujours nuit au de-là de la latitude 48° 34’ à certaines époques de l’année.
Trajectoire Solaire et Latitude
Considérons pour les explications qui suivent, que nous sommes à un équinoxe. La trajectoire du Soleil sera donc dans le plan de l’équateur. Lorsque le Soleil se lève, on le voit décrire une trajectoire vers l’horizon, qu’on peut assimiler à une droite localement. Ce mouvement apparent est dû essentiellement à la rotation de la Terre, car on peut négliger son déplacement autour du Soleil pendant la durée d’un lever ou coucher de cet astre. Par conséquent, le Soleil semble suivre un arc de cercle centré sur l’observateur. Aux latitudes moyennes, cet angle est proche de 45°. Mais aux pôles, le trajet apparent du Soleil est parallèle à l’horizon ! C’est en fait une spirale très aplatie, montante ou descendante selon qu’on est avant ou après le solstice d’été. Par contre, à l’équateur, le Soleil se couche et se lève perpendiculairement à l’horizon. On conçoit donc que la ligne d’approche du Soleil vers l’horizon n’a pas le même aspect selon la latitude. Plus précisément, à l’équateur (latitude 0°) il se couche le long de la verticale ; aux latitudes moyennes (45°), il suit une ligne inclinée de ≈ 45° sur la verticale. Enfin, au pôle nord (latitude 90°), il se couche pratiquement à l’horizontale (moyennant sa descente le long de la spirale), donc selon une ligne inclinée de 90° par rapport à la verticale. Partant du pôle nord, donc, le coucher de Soleil se relève vers la verticale, qu’il atteint à l’équateur. Là, on a parcouru la moitié du chemin.
La ligne bleue au-dessus de l’horizon est arbitraire. Elle représente la hauteur (au-dessus de l’horizon), à partir de laquelle la lumière du Soleil est atténuée par l’épaisseur de l’atmosphère qu’elle doit traverser. Cette atténuation s’accompagne d’un rougissement. Le Soleil se déplace le long des lignes rouges, à la même vitesse quelle que soit la latitude, puisque c’est la rotation de la Terre qui la produit. Alors, puisque la vitesse est la même partout, le temps de parcours au-dessous de cette ligne, c’est-à-dire la durée du coucher de Soleil, est bien plus long vers les pôles qu’à l’équateur. Pour les latitudes moyennes (angle par rapport à la verticale de 45°), ce temps est 1,4 fois plus long qu’à l’équateur. En considérant que le coucher de Soleil dure 1/2 heure à l’équateur, il dure 42 minutes à 45°. A 75° de latitude, le temps est 3,86 fois plus long, soit 116 minutes = près de 2 heures. Plus on s’approche du pôle, plus ce temps augmente rapidement. A 80°, il est 5,76 fois plus long, soit 2 heures 53 minutes. Enfin, à 85°, il atteint 5 heures 44 minutes. Au pôle même, la durée du coucher de Soleil ainsi déterminée serait infinie. Ceci parce que dans ce qui précède, on n’a pas tenu compte du déplacement de la Terre sur son orbite.
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Puisque l’angle de descente du Soleil par rapport à la verticale est égal à la latitude du lieu, son observation devrait donner cette latitude. Et c’est bien le cas, mais il faut discuter de sa précision. En effet, on observe le Soleil dans la partie la plus basse de sa course, la plus proche de l’horizon. L’un des problèmes est la déformation du disque du Soleil, dont le centre devient bien difficile à déterminer. Le problème majeur est la réfraction atmosphérique. L’image du Soleil près de l’horizon est relevée de quelques 36″ d’arc, soit un peu plus que son diamètre. L’effet est plus faible lorsque le Soleil est plus haut, à l’origine de la droite.
L’angle que fait la trajectoire du soleil couchant par rapport à la verticale est égal à la latitude du lieu. Donc à Marseille, il est de 43° 18′.
Dans tous les lieux de l’hémisphère nord, le soleil se déplace vers le sud au lever, et vers le nord au coucher. Ce film montre donc comment le soleil se lève ou se couche dans les régions proches de l’équateur. A l’équateur même, le lever serait parfaitement vertical. Remarquez la brièveté du phénomène : le film s’étend sur une durée réelle de 12 minutes.
Nous avons vu que dans l’hémisphère nord, le soleil se couche pratiquement horizontalement au pôle nord, à presque 45° à Marseille, et verticalement à l’équateur. Ce mouvement de bascule de la trajectoire du soleil se continue tout naturellement, pour atteindre l’horizontale au pôle sud.
Le Soleil de Minuit et les Nuits Blanches
Les zones polaires sont caractérisées par une nuit hivernale quasi ininterrompue, tandis qu’en été, les jours sont de plus en plus longs. Ce phénomène est le même aussi bien pour le pôle Nord (Boréal) que pour le pôle Sud (Austral).
Dans l’hémisphère nord, les jours rallongent rapidement dès l’équinoxe de printemps (autour du 20 mars) pour atteindre leur durée maximale au solstice d’été, le 21 juin. A ce moment-là, les régions situées au-delà du cercle polaire arctique connaissent une journée ininterrompue pendant laquelle le soleil brille pendant 24h : certes, l’astre du jour descend vers l’horizon en soirée, mais ne se couche pas : il remonte lentement dans le ciel après minuit en vue d’une 2ème journée sans nuit. On l’appelle le « soleil de Minuit ».
Les zones situées un peu au-dessous du cercle polaire bénéficient d’une « nuit blanche » (par opposition à la nuit noire), c’est-à-dire pendant laquelle le soleil se couche quand même pour quelques heures avant de se lever très tôt. Pendant cette très courte nuit, bien que couché, le soleil ne descend pas suffisamment sous l’horizon pour permettre à la nuit de devenir totalement noire. La pâle clarté permet de lire un livre sans avoir besoin d’éclairage artificiel. Plus on monte en latitude, plus la durée de ce jour d’été augmente : au niveau du pôle, il fait jour pendant 6 mois, puis il fait nuit également pendant 6 mois en hiver.
Ce soleil-là n’est pas lié à la météo : d’ailleurs, par ciel nuageux ou couvert, on ne verra qu’une pâle clarté diffuse, semi-crépusculaire. Mais pour peu que le ciel soit dégagé, l’ambiance nordique produit une lumière étonnante : si la journée ressemble à celle de nos latitudes, la lumière du soir et de la « nuit blanche » pourrait ressembler à celle observée lors d’une éclipse avec le soleil bas au niveau de l’horizon. C’est une sorte de soleil couchant qui ne se couche pas.
Le phénomène trouve son explication dans l’inclinaison de l’axe de la Terre par rapport au soleil. Cet axe oscille au gré des saisons : en été, le soleil éclaire davantage l’hémisphère nord, brillant en permanence au pôle. Dans l’hémisphère sud, les saisons étant inversées, c’est la nuit totale pendant ce temps.
Le phénomène de la « nuit blanche » s’observe de l’Islande au nord de l’Ecosse jusqu’à la Scandinavie, la mer Baltique et la Russie (Saint-Pétersbourg). Pour profiter du « soleil de minuit », il faut donc atteindre au moins le cercle polaire arctique.
Implications Pratiques : Architecture Bioclimatique
Dans l’hémisphère nord, celui de la France, le soleil ne se lève à l’est et ne se couche à l’ouest que 2 fois par an, aux équinoxes de printemps et d’automne, aux alentours du 21 mars et du 21 septembre. Lors du solstice d’hiver, le 21 décembre, il se lève au sud-est et se couche au sud-ouest tandis qu’au solstice d’été, le 21 juin, il se lève au nord-est et se couche au nord-ouest. La hauteur maximale du soleil, le 21 juin à midi, est de 72° à Perpignan tandis qu’elle n’est que de 63° à Dunkerque. Dans les 2 cas, on est très loin de la verticale qui serait de 90°. La hauteur minimale du soleil, le 21 décembre à midi, est de 24° à Perpignan tandis qu’elle n’est que de 15° à Dunkerque. Ces écarts entre les hauteurs du soleil, aux extrêmes sud et nord du pays, aux équinoxes comme aux solstices et plus généralement toute l’année, proviennent de l’écart de latitude qui est égal à 9°.
Ces quelques informations sont très différentes de ce que nombre d'entre nous sont persuadés de savoir. Elles vous donnent une idée des erreurs que les connaissances considérées acquises peuvent générer. Les vraies informations permettent par contre d’intégrer tous les aspects bioclimatiques des constructions sans risque de se tromper. Si elles permettent de bénéficier des apports solaires maximums en période d’hiver ou de minimiser les apports solaires intempestifs en été, elles permettent également de prendre bien d'autres décisions parfaitement justifiées. Les exemples suivants découlent de la connaissance des vraies trajectoires du soleil dans l'hémisphère nord, à des latitudes équivalentes à celle de la France:
Les terrasses ne seront à l’ombre pour y manger le soir, en été, que si l’orientation réelle du soleil est prise en compte. Pendant cette saison en effet, une terrasse orientée au sud sera plus facilement utilisable en fin de soirée, car protégée du soleil qui est alors au nord-ouest. Une orientation nord sera par contre préférable en fin de matinée.
Les pare-soleil fixes, installés au sud, ne seront efficaces que s’ils sont réalisés en fonction de la région ou ils sont implantés. Leur positionnement en hauteur et leur profondeur varieront considérablement suivant la région, même en France ou l’écart est important entre les extrémités sud et nord du pays.
Les fenêtres triple vitrage orientées à l'est et à l'ouest n'auront pas suffisamment de soleil en fin d'année pour compenser leurs déperditions toujours supérieures à celles des murs, même à ce niveau de performance.
Les fenêtres situées au nord, mais non équipées d'une protection solaire, ne pourront pas stopper les rayons du soleil levant et couchant en été. Même avec cette orientation, elles pourront aggraver le risque de surchauffe estivale. Les risques découlant de fenêtres orientées à l'est et à l'ouest sont évidemment bien pires pendant cette saison.
Utilisation des Diagrammes Solaires
Déterminer le dimensionnement d’un pare-soleil pour, par exemple, qu’il laisse la totalité des vitrages exposés au soleil le 21 décembre à midi solaire, soit officiellement à 13 heures, mais qu’ils soient totalement à l’ombre le 21 juin de 10 heures à 14 heures solaire, soit officiellement de 12 h à 16 h, ne peut se déterminer qu’en connaissant les trajectoires du soleil définies soit mathématiquement soit par des diagrammes solaires tel celui-ci après qui correspond à la latitude de Toulouse.
Ces diagrammes, bien plus simple et rapide à utiliser que les calculs, permettent de plus de déterminer les ombres portées par l’environnement sur la construction dans son ensemble, celles portées sur les fenêtres, les panneaux photovoltaïques ou les panneaux thermiques et la proportion du rayonnement solaire réellement efficace en fonction de la période de l’année ou sur l’année globale.
Pour connaître la position du soleil à une date donnée et une heure précise, il suffit de :
Repérer la parabole, en bleu, figurant la date la plus proche de celle recherchée et éventuellement de tracer une courbe similaire plus proche de la date donnéeRepérer la courbe cyan figurant les heures et éventuellement estimer une courbe supplémentaire correspondant au décalage réel par rapport à cette courbeDéterminer l’intersection entre ces 2 nouvelles courbesLe point d’intersection rapporté sur l’axe gauche donne la hauteur angulaire du soleil tandis que la projection sur l’axe horizontal donne l’azimut, le décalage longitudinal.
La hauteur du soleil le 18 février à 10 h, par exemple, peut être estimée à 29,5° tandis que l’azimut du soleil est d’environ 35° vers l’est.
Les hauteurs du soleil nécessaires pour la conception d'un pare-soleil correspondant aux critères précédents sont, en région toulousaine, de 23° en hiver, le 21 décembre à 12h solaire, et 58° en été, le 21 juin à 10 et 14h solaire
Les performances des maisons passives dépendent de la course du soleil. Les maisons passives sont avant tout des maisons bioclimatiques. Leurs fenêtres passives et leurs différentes méthodes de pose ainsi que la conception des pare-soleil sont des éléments incontournables à leur conception.
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