Les saisons

Publié le 17 mars 2020 par Pierre Paquette

Tableau . Dates des équinoxes et solstices, 2020–2030.*
AnnéePrintempsÉtéAutomneHiver
20202020-03-2003:51:092020-06-2021:44:362020-09-2213:32:012020-12-2110:04:00
20212021-03-2009:38:412021-06-2103:33:082021-09-2219:22:062021-12-2116:00:30
20222022-03-2015:34:302022-06-2109:14:552022-09-2301:05:182022-12-2121:49:10
20232023-03-2021:25:532023-06-2114:58:502023-09-2306:51:152023-12-2203:28:45
20242024-03-2003:07:442024-06-2020:52:032024-09-2212:44:522024-12-2109:21:34
20252025-03-2009:02:452025-06-2102:43:312025-09-2218:20:422025-12-2115:04:18
20262026-03-2014:46:452026-06-2108:26:042026-09-2300:06:392026-12-2120:51:22
20272027-03-2020:26:032027-06-2114:11:512027-09-2306:02:282027-12-2202:43:26
20282028-03-2002:18:182028-06-2020:02:432028-09-2211:46:172028-12-2108:21:16
20292029-03-2008:02:512029-06-2101:49:312029-09-2217:39:052029-12-2114:15:33
20302030-03-2013:53:042030-06-2107:32:312030-09-2223:28:232030-12-2120:10:43
Ces moments sont calculés avec les formules du chapitre 27 (« Equinoxes and Solstices ») du livre Astronomical Algorithms, 2e Édition, 2e Impression, par Jean MEEUS (Willmann-Bell, 1998–2000, ISBN 0-943396-61-1). Les valeurs peuvent différer de quelques secondes à quelques minutes selon les sources.
* Il s’agit des saisons de l’hémisphère nord. Pour l’hémisphère sud, l’équinoxe de mars est celui d’automne ; en juin, l’hiver ; en septembre, le printemps ; et en décembre, l’été.
Cette année, le solstice d’hiver aura lieu le 21 décembre à 10 h 04 UT. Mais qu’est-ce que ça signifie au juste ? Comment les astronomes peuvent-ils déterminer le début d’une saison ? Les saisons ne sont-elles pas plutôt liées à la météorologie ? Éclaicissements.

Déboulonner un mythe

D’abord, il faut préciser que les saisons ne dépendent pas de la distance de la Terre au Soleil. En effet, tandis que c’est l’hiver dans l’hémisphère nord, c’est l’été dans l’hémisphère sud, et vice versa : s’il y avait un lien entre saisons et distance au Soleil, chaque point de la Terre connaîtrait la même saison au même moment. D’ailleurs, la Terre est à son plus proche du Soleil vers le 3 janvier de chaque année, date où les températures sont parmi les plus froides dans l’hémisphère nord…

Le seul lien qui existe réellement entre la distance Terre–Soleil et les saisons est que l’hémisphère sud connaît des étés généralement plus chauds que l’hémisphère nord, puisque la Terre est alors plus près du Soleil, et que les hivers y sont aussi plus froids, pour la raison opposée.

Suivre le Soleil

Les prêtres-astronomes de l’Antiquité ont vite remarqué le changement de hauteur du Soleil dans le ciel à midi*, de jour en jour, ainsi que le cycle de ce mouvement. Suivant notre calendrier moderne, le Soleil est à son plus bas à midi vers le 21 décembre de chaque année, puis monte graduellement jusqu’à atteindre son altitude maximale, à midi toujours, vers le 21 juin de l’année suivante, avant de redescendre, et ainsi de suite. Les civilisations moins évoluées croyaient que le dieu-soleil était sur le point de mourir à la fin décembre, et performaient rites et incantations visant à « ressusciter » l’astre du jour. Éventuellement, on a compris que le cycle allait perdurer, mais des célébrations sont encore organisées vers la date du solstice de décembre chaque année dans plusieurs cultures — en fait, même la fête de Noël serait dérivée de ces fêtes païennes ; les historiens s’entendent pour dire que Jésus est probablement né en mars.

* Midi de temps solaire vrai. Voir la page sur l’équation du temps pour plus de précisions.

Très tôt dans l’Histoire, on a aussi noté que la température semblait suivre les mouvements du Soleil — particulièrement aux latitudes plus élevées (maximum moyen de 31,8 °C en juilllet à Athènes, Grèce, contre un maximum moyen de 13,6 °C en janvier), mais même en Mésopotamie (44 °C en août, 16 °C en janvier à Bagdad, non loin de l’antique cité de Babylone).

On en vint bientôt à considérer quatre saisons ; des périodes dont la météorologie est typique à chacune. On nomme aujourd’hui ces saisons l’hiver, saison accompagnée de températures plus froides et pendant laquelle certaines contrées se couvrent de neige, une précipitation d’eau gelée ; le printemps, alors que la température augmente graduellement et que la nature renaît, avec l’éclosion des bourgeons dans les arbres ; l’été, saison la plus chaude et où la nature est la plus vivante, période propice aux cultures maraîchères ; et l’automne, où les feuilles tombent des arbres et que la température redescend.

Il existe un Easter egg dans l’animation ci-contre… Écrivez-moi si vous pensez l’avoir trouvé ! (Et non, ce ne sont pas les nuages, la pluie, le parapluie, la neige, ou le bonhomme de neige…)

Il est facile de voir le lien entre les saisons et la position du Soleil dans le ciel, et plutôt que de se fier sur la température d’une journée donnée — qui change d’année en année pour la même date —, on en est venu à définir chaque saison par rapport à la position du Soleil dans le ciel à midi. Ainsi, l’hiver commence au moment où le Soleil atteint son point le plus bas dans le ciel à midi ; le printemps, alors qu’il est à mi-chemin entre son plus bas et son plus haut ; l’été, au moment où il est le plus haut dans le ciel à midi ; et enfin, l’automne est défini comme commençant lorsque le Soleil atteint la mi-chemin entre son plus haut et son plus bas.

Durées différentes

Tableau . Durée des saisons pour 2020–2030.
AnnéePrintempsÉtéAutomneHiver
202092 j 17 h 53 min93 j 15 h 47 min89 j 20 h 31 min88 j 23 h 34 min
202192 j 17 h 54 min93 j 15 h 48 min89 j 20 h 38 min88 j 23 h 34 min
202292 j 17 h 40 min93 j 15 h 50 min89 j 20 h 43 min88 j 23 h 36 min
202392 j 17 h 32 min93 j 15 h 52 min89 j 20 h 37 min88 j 23 h 38 min
202492 j 17 h 44 min93 j 15 h 52 min89 j 20 h 36 min88 j 23 h 41 min
202592 j 17 h 40 min93 j 15 h 37 min89 j 20 h 43 min88 j 23 h 42 min
202692 j 17 h 39 min93 j 15 h 40 min89 j 20 h 44 min88 j 23 h 34 min
202792 j 17 h 45 min93 j 15 h 50 min89 j 20 h 40 min88 j 23 h 34 min
202892 j 17 h 44 min93 j 15 h 43 min89 j 20 h 34 min88 j 23 h 41 min
202992 j 17 h 46 min93 j 15 h 49 min89 j 20 h 36 min88 j 23 h 37 min
203092 j 17 h 39 min93 j 15 h 55 min89 j 20 h 42 min88 j 23 h 31 min
Malgré ce que l’on peut en penser, l’hiver n’est pas la saison la plus longue dans l’hémisphère nord. En effet, il dure environ 89 jours, tandis que l’été dure environ 93 jours et est en fait la saison la plus longue, le printemps et l’automne durant respectivement 92 et 89 jours environ. Aussi, puisque la Terre subit l’influence gravitationnelle du Soleil, des autres planètes, et de la Lune, son orbite varie quelque peu dans le temps, ce qui entraîne une variation de la durée de chaque saison par rapport à l’année précédente ou suivante (quelques minutes), comme l’indique le tableau ci-contre.

Pourquoi une telle différence ? C’est que l’orbite de la Terre n’est pas un cercle parfait centré sur le Soleil ; c’est plutôt une ellipse dont le centre est légèrement décalé par rapport à notre étoile (celle-ci est plutôt à un des foyers). À noter, toutefois, que les dessins des livres et sites web sont généralement très exagérés, puisqu’en pratique, la différence est minime, tel que l’illustre la grande image ci-dessous.

Dans celle-ci, les tirets jaunes tracent un cercle parfait centré sur le Soleil ; l’ellipse bleue est aussi centrée sur le Soleil, et elle a les proportions réelles de l’orbite terrestre — comme on peut le constater, la différence entre elle et le cercle est moindre que l’épaisseur du trait ! Enfin, l’ellipse cyan au trait continu représente l’orbite terrestre réelle, proprement orientée dans l’espace pour le moment présent (l’orbite précise varie légèrement dans le temps).

La dimension du Soleil est à l’échelle. Pour la Terre, l’anneau jaune dans la croix tournante représente la taille de l’orbite lunaire à l’échelle. La Terre et la Lune elles-mêmes sont invisibles à cette échelle.

Le texte continue après le graphique. Il existe un Easter egg dans celui-ci aussi. Vous l’avez trouvé ? Écrivez-moi !

Si on reprend maintenant le graphique précédent, mais en plus petit (à droite), on voit la définition moderne des saisons : c’est quand la Terre est sur son orbite à une longitude écliptique multiple de 90° (inversement, c’est quand le Soleil a une longitude écliptique multiple de 90° dans notre ciel). Ainsi, l’équinoxe de mars (P ; à gauche) a lieu quand la longitude écliptique de la Terre est de 180° ; au solstice de juin (É ; en bas), il est à 90° ; 180° à l’équinoxe de septembre (A ; à droite) ; et 270° au solstice de décembre (H ; en haut). Ces moments coïncident avec le passage du Soleil du sud au nord de l’équateur céleste pour l’équinoxe de mars ; à la déclinaison maximale du Soleil (accompagnée de son altitude maximale à midi de temps solaire vrai, dans l’hémisphère nord) au solstice de juin ; au moment où le Soleil passe du nord au sud de l’équateur céleste pour l’équinoxe de septembre ; et à la déclinaison minimale du Soleil pour le solstice de décembre.

La durée des saisons est différente d’une à l’autre, parce que la Terre ne prend pas le même temps pour parcourir l’arc allant d’un point à l’autre, cela, pour deux raisons.

  1. D’abord, puisque l’orbite de la Terre n’est pas centrée sur le Soleil, chaque arc de celle-ci (blanc pour l’hiver, lilas pour le printemps, vert pour l’été, et rouge pour l’automne, dans le graphique ci-contre) a une longueur différente.
  2. L’autre raison est que, comme la Terre est plus loin du Soleil au début de juillet (point Aph dans le schéma ci-contre, pour aphélie) qu’au début de janvier (point Péri pour périhélie), en fonction de la troisième loi de Kepler, elle se déplace moins vite, et donc prend plus de temps à parcourir un même arc.

Pourquoi ça change ?

La déclinaison du Soleil change au cours de l’année parce que la Terre est inclinée sur son orbite — de (valeur présente ; elle change lentement avec le temps). L’orientation de cette inclinaison est essentiellement fixe par rapport aux étoiles (elle subit un lent mouvement de précession sur une période de 25 772 ans) ; il s’ensuit donc qu’elle change par rapport au Soleil pendant l’année. Ainsi, au solstice de juin, cette inclinaison est orientée vers le Soleil (schéma ci-contre), et l’hémisphère Nord reçoit alors un maximum d’éclairement (donc de chaleur) de notre étoile. Au solstice de décembre, elle est plutôt orientée à l’opposé du Soleil, et c’est plutôt l’hémisphère Sud qui reçoit le plus de lumière et de chaleur de notre étoile. Aux équinoxes, l’inclinaison est perpendiculaire à la direction du Soleil, et les deux hémisphères reçoivent la même quantité d’énergie.

Mais la température ne concorde pas…

Nous savons toutes et tous que les journées les plus chaudes de l’hémisphère Nord ne sont pas aux alentours du 21 juin, moment du solstice d’été, où le Soleil est pourtant le plus haut dans le ciel et où nous recevons le plus d’énergie de celui-ci ; c’est plutôt juillet et août qui sont les plus chauds. Même chose en hiver, où les journées les plus froides sont habituellement en janvier ou février. Pourquoi ce décalage (dit « retard saisonnier ») ? C’est que la Terre (incluant son atmosphère et ses océans) prend un certain temps à se réchauffer et à se refroidir — elle a ce qu’on appelle une inertie thermique ; c’est la même raison pour laquelle le moment le plus chaud d’une journée d’été est en milieu d’après-midi plutôt qu’à midi de temps solaire vrai, et que le moment de la nuit le plus frais n’est pas à minuit mais peu avant l’aube.

On pourrait comparer la Terre à une casserole d’eau que l’on met sur le poêle ; ça prend un certain temps avant que l’eau bouille. De même, quand on la retire du feu, on doit attendre avant qu’elle ne reprenne la température de la pièce.

Tableau . Inclinaison de chaque planète du système solaire sur son orbite.
PlanèteInclinaisonDurée de l’année
Mercure0,034°87,969 j*0,241 a†
Vénus177,360°224,701 j0,615 a
Mars25,190°686,971 j1,881 a
Jupiter3,130°4 332,590 j11,862 a
Saturne26,730°10 759,220 j29,457 a
Uranus97,770°30 688,500 j84,021 a
Neptune28,320°60 182,000 j164,800 a
* Jours terrestres. † Années terrestres.

Conclusion

La Terre n’est pas la seule planète du système solaire à avoir des saisons. En effet, comme l’indique le tableau ci-contre, Mars, Saturne, et Neptune ont une inclinaison semblable à celle de la Terre, et Uranus est très fortement inclinée. Puisque l’année sur ces planètes dure plus longtemps que sur la Terre (deux colonnes de droite), il va sans dire que chaque saison dure plus longtemps que les saisons terrestres. L’extrême est bien entendu Uranus ; lors du solstice, le Soleil est presque au zénith du pôle, tandis que l’autre pôle est plongé dans l’obscurité depuis environ 21 ans et le sera encore pour un autre 21 ans ! Il est toutefois faux de dire, comme on le lit ou l’entend parfois, que chaque hémisphère entier est plongé dans le noir pendant 84 ans ; cela n’est valable que pour les pôles. De même, sur Terre, seul les pôles exacts ont « six mois de clarté, six mois d’obscurité » — et encore que ceci n’est pas tout à fait vrai, puisque l’atmosphère réfracte les rayons du Soleil et le fait apparaître au-dessus de l’horizon même lorsqu’il est jusqu’à 2° en dessous.

Imaginez comment l’hiver doit être froid sur Uranus… La planète est loin du Soleil, donc ne reçoit que peu de chaleur de celui-ci ; de plus, l’hiver dure environ 42 années terrestres… Il y a de quoi attacher sa tuque avec de la broche !

Merci de votre visite, et à bientôt… à des températures plus clémentes que sur Uranus !

🌑 🌒 🌓 🌔 🌕 🌖 🌗 🌘

© 2020 Astronomie‑Québec / Pierre Paquette