Les saisons

Les saisons, sur Terre, rythment le déroulement de l'année -au moins dans les régions du monde où elles sont bien marquées. Les saisons sont tout simplement un phénomène astronomique

L'inclinaison de l'axe de la Terre

Les saisons sont dues à deux phénomènes combinés: l'orbite de la Terre et l'inclinaison de l'axe de celle-ci. L'axe de la Terre est l'axe qui joint le pôle nord au pôle sud et autour duquel la Terre effectue sa rotation. Cet axe est incliné. Il l'est par rapport à l'écliptique, qui est le plan de l'orbite terrestre. Techniquement, on dit que l'axe est incliné par rapport à une perpendiculaire à l'écliptique. Dans tous les cas, l'inclinaison a une valeur de 23,5°

Alors que la Terre orbite autour du Soleil, l'inclinaison de son axe ne varie pas. Cela a comme conséquence qu'à certains points de l'orbite, l'axe de la Terre est incliné en éloignement du Soleil alors qu'à d'autres points, il l'est en direction du Soleil. Quatre points de l'orbite sont ainsi remarquables: celui où l'axe de la Terre est le plus incliné en éloignement, celui où l'axe est le plus incliné en rapprochement; et deux autres points où, l'inclinaison de l'axe est neutre par rapport au Soleil: l'axe n'est ni en éloignement ni en rapprochement. Ce sont ces quatre moments remarquables qui donnent naissance aux saisons. A ces quatre moments, en effet, les rayons du Soleil atteignent la Terre à des angles différents: lorque c'est l'hémisphère nord de la Terre, par exemple, qui est incliné en éloignement du Soleil, les rayons frappent à un angle faible. Lorsqu'au contraire l'hémisphère est incliné vers le Soleil, les rayons frappent plus à la verticale. D'où que la surface de la Terre peut moins -ou plus- chauffer. La longueur des jours ajoute au phénomène: les jours étant plus courts en hiver, la Terre reçoit de la chaleur pendant moins longtemps et réciproquement en été

Les quatre saisons

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Caractérisons plus avant les quatre moments remarquables de la Terre sur son orbite:

• la pointe nord de l'axe de la Terre est le plus éloigné du Soleil; la pointe sud en est le plus proche
• aucune des pointes de l'axe ne pointe vers le Soleil
• la pointe nord de l'axe de la Terre est le plus proche du Soleil; la pointe sud en est le plus éloigné
• aucune des pointes de l'axe ne pointe, de nouveau, vers le Soleil

Ces quatre moments remarquables définissent les saisons:

• le premier moment (la pointe nord de l'axe de la Terre est le plus éloigné du Soleil; la pointe sud en est le plus proche; à droite sur le schéma) définit l'hiver de l'hémisphère nord et l'été de l'hémisphère sud. Les rayons du Soleil, au Nord, atteignent la Terre à un angle faible. Le Soleil est bas dans le ciel. Il se lève à son plus au sud-est et se couche à son plus au sud-ouest de l'année. Les jours sont les plus courts de l'année. Et l'inverse dans l'hémisphère sud (aux latitudes supérieures au cercle polaire antarctique, c'est le Soleil de minuit!). Ce moment, astronomiquement et précisément, est appelé le solstice d'hiver -pour l'hémisphère nord- ou d'été -pour l'hémisphère sud. Il a lieu, chaque année, vers le 21 décembre
• le second moment (aucune des pointes de l'axe ne pointe vers le Soleil; en haut sur le schéma) définit le printemps dans l'hémisphère nord et l'automne dans l'hémisphère sud. Dans les deux hémisphères, les rayons du Soleil ne frappent la Terre que modérément. Le Soleil est modérément haut dans le ciel. Il se lève juste à l'Est et se couche juste à l'Ouest. La longueur des jours égale celle des nuits. Astronomiquement, ce moment s'appelle l'équinoxe vernal (ou de printemps -au Nord) ou d'automne -au Sud. Il a lieu, chaque année, vers les 20-21 mars
• le troisième moment (la pointe nord de l'axe de la Terre est le plus proche du Soleil; la pointe sud en est le plus éloigné) définit l'été dans l'hémisphère nord et l'hiver dans l'hémisphère sud. Au Nord, les rayons du Soleil atteignent la Terre à un angle élevé. Le Soleil est haut dans le ciel. Le Soleil se lève à son plus nord-est et se couche à son plus nord-ouest de l'année. Les jours sont les plus longs de l'année. Dans les latitudes extrêmes, au nord du cercle polaire arctique, c'est le Soleil de minuit. Les données sont inverses dans l'hémisphère sud. Ce moment, astronomiquement, est le solstice d'été (pour l'hémisphère nord) ou d'hiver (pour l'hémisphère sud). Il a lieu vers le 21 juin
• le dernier moment (aucune des pointes de l'axe ne pointe, de nouveau, vers le Soleil) définit l'automne dans l'hémisphère nord et le printemps dans l'hémisphère sud. Au Nord comme au Sud, les rayons, de nouveau, atteignent la Terre à un angle modéré. Le Soleil est modérément haut dans le ciel. Il se lève juste à l'Est et se couche juste à l'Ouest. La longueur des jours égale celle des nuits. Astronomiquement, nous sommes à l'équinoxe d'automne (hémisphère nord) ou de printemps (hémisphère sud). Il a lieu vers les 20-21 septembre

On notera que la logique des saisons fait qu'elles sont inversées d'un hémisphère à l'autre: quand c'est l'hiver dans l'hémisphère nord, c'est l'été dans l'hémisphère sud, par exemple. Cela est logiquement dû à la position inverse de chaque hémisphère quant à l'inclinaison de l'axe de la Terre: quand c'est la pointe nord de l'axe qui est inclinée vers le Soleil, l'hémisphère nord est incliné vers le Soleil alors que l'hémisphère sud en est éloigné. Pour ce qui est des noms des solstices et des équinoxes, ils suivent, selon l'hémisphère, celui de la saison concernée -comme dans le texte ci-dessus. D'une façon générale, la longueur du jour, pour un hémisphère donné, varie d'aux alentours de 15 heures au moment du solstice d'été à aux alentours de 9 heures au moment du solstice d'hiver. On notera encore que les régions équatoriales n'ont pas de saisons marquées. Elles sont, si l'on peut dire, dans un équinoxe permanent. Les températures, la végétation et la longueur du jour et de la nuit restent identiques tout au long de l'année

Un point plus avancé réside dans le fait que l'orbite de la Terre n'est pas exactement un cercle mais une ellipse. Cela a comme conséquence qu'à un moment de l'orbite, la Terre est au plus près du Soleil, alors qu'au moment opposé elle en est le plus éloigné. Le point le plus proche s'appelle le "périhélie", le point le plus éloigné l'"aphélie". Les deux mots sont d'origine grecque et signifient "près ("peri) et "loin" ("a") du Soleil ("helios"). Il y a, dans la distance au Soleil, une différence de 4 800 000 km. Le périhélie a lieu chaque année vers le 2 janvier et l'aphélie a lieu vers le 4 juillet. Chaque année, ces dates peuvent varier légèrement, de façon aléatoire, du fait du système Terre-Lune: les deux corps orbitent autour d'un "barycentre", un centre commun de gravité (qui se situe à 4700 km du centre de la Terre) alors que la distance Terre-Soleil est mesurée de centre à centre des deux corps; chaque année, donc, la Terre n'est pas au même emplacement relativement au barycentre Terre-Lune. La différence entre les dates des saisons et celles du périhélie et de l'aphélie se remarque peu dans l'hémisphère nord; elle est de plus d'importance au Sud: c'est en effet quand la partie sud de la Terre est le plus inclinée en direction du Soleil, donc au moment de l'été austral, que la Terre est à son périhélie. Les étés de l'hémisphère sud sont ainsi plus chauds que les étés au Nord. Mais cela ne signifie pas que les hivers, au Sud, soient plus froids bien que la Terre, alors, soit à l'aphélie. On pense que cela est dû au fait qu'il y a une plus grande surface d'océans dans l'hémisphère sud. Ils auraient un effet températeur. Au Nord, par contre, la Terre, paradoxalement, est au plus près du Soleil en hiver et au plus loin en été. Dans l'hémisphère nord, au moment du solstice d'été, l'incohérence entre le fait que la Terre soit au plus loin du Soleil et le fait que ce soit le solstice s'équilibre par le fait que la longueur du jour et l'illumination par le Soleil sont à leur maximum. A la mi-juin, sur un autre plan, les océans de l'hémisphère nord sont encore emplis du froid de l'hiver passé et donc retardent le pic de la température d'un mois et demi. Certains endroits, aux hautes latitudes, enfin, pour ce qui est de la longueur des nuits, ne connaissent qu'un seul type de crépuscule à cette époque, le crépuscule civil, lorsque le Soleil se trouve à 6° en-dessous de l'horizon; les crépuscules nautique (le Soleil à 12° en-dessous l'horizon) et astronomique (18°) ne sont jamais atteints, laissant, entre le coucher et le lever du Soleil, une nuit qui n'est qu'un crépuscule

Une autre conséquence du fait que l'orbite terrestre est une ellipse et que la partie que parcourt la Terre du printemps à l'automne est un peu plus longue que la partie opposée: le printemps et l'été durent un peu plus longtemps chaque (92j 19h et 93j 15h, respectivement) que l'automne et l'hiver (89j 20h, 89j 0h, respectivement). Ces proportions et ces valeurs varient en fonction de la relation du périgée de l'orbite au point vernal sur l'écliptique (vers 1250, par exemple, l'automne égalait l'hiver et le printemps l'été)

Les variations cycliques de l'axe et de l'orbite de la Terre

cliquer vers le mécanisme de la précession des équinoxes

L'orbite et l'axe de la Terre sont affectés par diverses variations cycliques. La plupart de ces cycles ont été décrits par un scientifique serbe des années 1920, Milutin Milankovitch, dans le cadre de recherches qu'il faisait sur les variations à long terme du climat de la Terre. Seule une variation, connue depuis longtemps, la "précession", a une réelle influence en astronomie. Les autres ne sont que des fluctuations usuelles des orbites dans tout système orbital. Les variations périodiques de l'inclinaison de l'axe de la Terre et de l'orbite ont amené la succession d'âges glaciaires et de période chaudes au cours des deux derniers millions d'années

• la variation de l'inclinaison de l'axe (la précession). La précession a un cycle de 26 000 ans. Cette variation de l'inclinaison de l'axe de la Terre est due aux influences gravitationnelles contradictoires du Soleil et de la Lune sur le renflement équatorial de la Terre. Du fait de ces tensions, l'axe de la Terre décrit un cercle. Le mouvement est semblable à celui qui affecte l'axe d'une toupie. La précession se fait dans le sens des aiguilles d'une montre soit le sens inverse de la rotation de la Terre et elle se fait autour de l'axe des pôles de l'écliptique. Elle est d'à peine plus d'un demi-degré par siècle. Sa conséquence la plus célèbre est que la position du pôle céleste nord varie et que le point vernal se déplace sur l'écliptique. Il y a 6500 ans, c'est, par exemple, l'étoile a du Dragon qui était létoile polaire. L'autre conséquence, illustrée par le schéma précédent, réside en le décalage -très lent- des saisons: ainsi, la modification de comment l'axe de la Terre est incliné par rapport au Soleil fait que l'inclinaison qui détermine l'hiver se transforme en inclinaision qui détermine le printemps, etc. Ce décalage n'affecte pas le temps qui est vu à chacune des saisons: dans l'hémisphère nord, par exemple, c'est toujours l'hiver, météorologiquement, lorsque l'axe des pôles est incliné, en éloignement, par rapport au Soleil. Le décalage, de plus, se fait sur de longs temps -de l'ordre de 6500 ans- qui ne permettent pas aux hommes de se rendre compte du changement. Le changement, par contre, quoique tout autant lent et progressif, est plus notable sur un plan astronomique: en effet, si, au moment du solstice d'hiver, l'observateur, dans l'hémisphère nord, verra la neige et le froid, il ne verra pas, par contre, le même ciel: progressivement, sur 6500 ans, les constellations qu'il voyait en hiver, cèderont la place à celles qu'il voyait au printemps. Cela vient du fait que, sur l'orbite, les saisons ont désormais lieu à des positions d'où le Soleil n'est plus vu, en perspective, sur le même fond du ciel. Comme l'équinoxe de printemps s'est décalé de deux constellations depuis que les astronomes anciens l'ont découvert, on sait donc que la découverte se situe aux alentours de 2300 avt. J.-C. Du fait du système, plus récent, des années bissextiles, l'heure à laquelle se produisent les équinoxes est affectée par un cycle de 4 ans
• la variation de l'excentricité de l'orbite (cycle de 100 000 ans): l'excentricité de l'orbite de la Terre (sa différence de forme par rapport à un cercle, son aspect d'ellipse) varie du cercle (valeur 0) à trois fois sa valeur actuelle. Lorsque l'orbite de la Terre est circulaire, il y a habituellement âge glaciaire (nous sommes actuellement en train de nous diriger vers le maximum d'une telle circularité, qui aura lieu dans 27000 ans)
• la variation de l'angle de l'inclinaison de l'axe de la Terre (cycle de 41 000 ans, ou variation de l'"obliquité"): la valeur actuelle de 23,5° est moyenne. Le cycle de variation ajoute quelques degrés, en plus ou en moins à raison de 47" par siècle
• la variation du périhélie (cycle de 21 000 ans): l'axe périhélie-aphélie se décale sur l'orbite
• la variation du périhélie (cycle de 21 000 ans également): cette autre variation de l'axe périhélie-aphélie fait que le périhélie se décale par rapport à l'année calendaire. Le mouvement est d'un jour tous les 58 ans: une année, du périhélie au périhélie (l'"année anomalistique") est à peu près 25 mn plus longue que l'année de l'équinoxe à l'équinoxe (l'"année tropique")

La précession, combinée aux caractéristiques fondamentales de l'orbite voire aux autres variations cycliques décrites ci-dessus, influe, de façon évidente, sur le long terme, sur le climat terrestre. Le décalage des moments des saisons, sur l'orbite, ainsi, décale, par exemple, la relation entre les étés et les hivers et l'aphélie et le périhélie