Des outils pour mieux comprendre les saisons

Texte : Jean-Luc Fouquet ; images : Jean-Luc Fouquet et Pierre Causeret

Pourquoi fait-il plus chaud en été qu’en hiver ? Pendant plusieurs années, j’ai posé cette question à des enfants et même à des adultes, en testant ce qu’on appelle leurs « conceptions initiales ». Pour cela, je leur ai demandé d’exécuter un dessin expliquant à leurs yeux le phénomène. Dans l’analyse des milliers de dessins obtenus, on découvre des réponses très diverses à la question posée, et certaines peuvent paraître surprenantes, voire saugrenues. En voici quelques-unes relevées dans plus de 6% des cas :
1. Pour les plus jeunes, un Soleil proche des pays les plus chauds (fig.1)
2. À tout âge, un Soleil tournant chaque jour autour de la Terre (fig.2)
3. La lumière du Soleil arrêtée par un objet céleste, souvent la Lune (fig.3)
4. Une Terre ne tournant que sur elle-même (fig.4)

Fig 1 : pour les plus jeunes, un soleil proche des pays les plus chauds
Fig 1 : pour les plus jeunes, un soleil proche des pays les plus chauds
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret
Fig 2 : à tout àage, un soleil tournant chaque jour autour de la terre
Fig 2 : à tout àage, un soleil tournant chaque jour autour de la terre
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret
Fig 3 : la lumière du soleil arrêtée par un objet céleste, souvent la lune
Fig 3 : la lumière du soleil arrêtée par un objet céleste, souvent la lune
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret
Fig 4 : une terre ne tournant que sur elle-même
Fig 4 : une terre ne tournant que sur elle-même

Pour les réponses les plus fréquentes, nous allons essayer de les confirmer ou de les infirmer avec des arguments simples, des observations ou des expériences que vous pouvez reproduire chez vous.

Fig 5 : conception finale, trajectoire elliptique de la terre
Fig 5 : conception finale, trajectoire elliptique de la terre
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

A – « L’été, nous sommes plus près du Soleil ! »

Les dessins proposant cette interprétation sont de loin les plus nombreux quel que soit l’âge de l’auteur. Ils représentent près du quart des réponses. Mais comment vérifier cette hypothèse ? Puisque plus on est proche d’un objet, plus il nous paraît gros, on prend des photos du Soleil à différentes dates tout au long de l’année, avec toujours le même télescope ou la même lunette munis d’un filtre, pour que les images soient de bonne taille et comparables. On s’aperçoit alors que le diamètre apparent du Soleil varie peu, et même que c’est en janvier qu’il est légèrement plus grand !

Fig 6 : photos du soleil à différentes dates
Fig 6 : photos du soleil à différentes dates
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

En effet, la Terre étant au plus loin du Soleil début juillet (aphélie) et le plus près début janvier (périhélie), ce n’est pas avec cet argument portant sur la distance que nous pourrons expliquer les journées radieuses de l’été.

Fig 7 : trajectoire de la terre avec périhélie et aphélie
Fig 7 : trajectoire de la terre avec périhélie et aphélie
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

B – « L’été, le Soleil est plus haut ! »

1. Les relevés d’ombre :

L’ombre d’un objet varie tout au long de la journée, en longueur et en position. C’est à midi solaire qu’elle est la plus courte lorsque le Soleil est plein sud. Le matériel le plus simple pour faire une mesure d’ombre à différentes dates, à ce moment privilégié qu’est le midi solaire, serait une planchette de bois horizontale munie d’une feuille de papier sur laquelle on aurait fixé un bâton vertical d’une vingtaine de centimètres. On constaterait évidemment que la longueur de l’ombre du bâton est la plus courte au solstice d’été et la plus longue à Noël. La mesure peut se faire à quelques minutes près autour du midi solaire car à ce moment-là, la hauteur du Soleil varie peu. L’expérience serait plus précise encore avec un « grand bâton », un clocher par exemple, ou avec une gommette collée sur une vitre exposée plein Sud et pour laquelle on repère la position de son ombre sur le sol.

2. La relation entre la hauteur du Soleil et la température au sol :

Comparons les surfaces éclairées par des faisceaux de lumière solaire, cylindriques par exemple et de mêmes diamètres. Celle qui correspond à un Soleil d’été est bien plus petite que celle bien plus étendue d’un Soleil d’hiver. En juin, le faisceau au plus proche de la verticale donne au sol une lumière plus concentrée, et donc, sur chaque mètre carré éclairé, une plus grande énergie.

Fig _ : faisceaux de lumière à différentes inclinaisons
Fig _ : faisceaux de lumière à différentes inclinaisons
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

Pour montrer cette différence d’énergie reçue au sol en fonction de l’inclinaison des rayons du Soleil, on pourra inventer une expérience simple qui plaira aux plus gourmands, avec quelques carrés de chocolat noir de bonne marque.

Fig 9 : expérience du chocolat
Fig 9 : expérience du chocolat
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

Soleils d’été et d’hiver seront matérialisés par deux lampes halogènes de même puissance (50W par exemple), placées au bout de bras articulés de même longueur. À égale distance de chaque lampe, on disposera un carré de chocolat sur une coupelle. Une des lampes sera inclinée à 65° environ par rapport à l’horizontale (position été) et l’autre à 25° seulement (position hiver). Les deux lampes étant allumées en même temps, le « carré d’été » fond en quelques minutes, l’autre ne change pratiquement pas d’aspect. Vous pourriez essayer de mener à bien cette expérience avec une lampe de bureau à tête orientable munie d’une lampe halogène…

Fig 10 : terre des saisons
Fig 10 : terre des saisons
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

3. La relation entre la hauteur apparente du Soleil et l’inclinaison de l’axe de la Terre :

Dans sa révolution autour du Soleil, la Terre garde son axe de rotation en translation, parallèle à lui-même. Dans ce mouvement, le plan horizontal en un point précis, sur l’île de Ré par exemple, fait un angle qui varie avec la direction des rayons solaires. C’est parce que l’axe de rotation terrestre fait un angle d’un peu moins de 67° avec le plan qui contient la trajectoire de la Terre autour du Soleil (l’écliptique) qu’il y a des saisons. C’est aussi pour cette raison que la durée d’une journée varie en fonction de la date.

Fig 11 : terre tournant autour du soleil, vue de dessus, 4 positions
Fig 11 : terre tournant autour du soleil, vue de dessus, 4 positions
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

C – « L’été, les journées sont plus longues ! »

Effectivement, les journées d’été seront d’autant plus chaudes que le Soleil passera davantage de temps au-dessus de l’horizon. La longueur de la journée varie en fonction de la date, la trajectoire diurne de l’île de Ré étant dessinée sur chaque position de la Terre.

Une expérience élégante nous permettrait de mesurer hauteur du Soleil et durée d’une journée, avec un matériel simple qui pourrait une fois encore satisfaire les plus gourmands.

Fig 12 : saladier et gommettes, de face et de profil
Fig 12 : saladier et gommettes, de face et de profil
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

1. Le saladier céleste :

Après avoir dégusté en terrasse une excellente salade servie dans un grand saladier transparent, on retourne, après un brin de vaisselle, cet ustensile sur la table exposée au Soleil. On fixera cette demi-sphère sur une grande feuille de papier sur laquelle on aura auparavant tracé une grande croix, avec deux axes perpendiculaires dont l’intersection sera « la cible », centre du bord circulaire du saladier retourné. Plus rien ne bougera sur cette table au cours de cette journée bien ensoleillée. Toutes les heures ou toutes les demi-heures, on collera sur cette demi-sphère dont le fond plat n’est pas trop gênant pour la suite de notre expérience, une gommette de façon à ce que l’ombre de celle-ci soit centrée sur la cible au milieu de la croix.

Fig 13 : calendrier de la poste, mois de juin et décembre
Fig 13 : calendrier de la poste, mois de juin et décembre
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

Il faut bien comprendre que le saladier est devenu « le ciel », et que chaque gommette collée représente une position du Soleil pour un observateur placé au centre de cette demi-sphère, sur la cible. La série de gommettes ainsi disposées semblera « matérialiser » un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de la Terre et, si l’on dispose d’un peu de ficelle ou d’un bout de laine traversant le centre de chaque pastille, on pourra retrouver sur le bord du saladier les positions du Soleil à son lever et à son coucher. Puisqu’on connaît la longueur de la ficelle entre deux heures marquées sur cette demi-sphère, on pourra en déduire la durée de la journée. La gommette la plus haute nous donnera la hauteur du Soleil à midi, et donc le Sud !

2. Calendriers et calculs :

Le calendrier de la Poste (l’almanach du facteur) donne pour chaque jour de l’année les heures de lever ou de coucher du Soleil ou de la Lune, ce qui permet d’en déduire la longueur de la journée.

Par exemple, pour les deux dates des 20 juin et 20 décembre, on peut faire les calculs suivants :

DateLever du SoleilCoucher du SoleilDurée de la journée
20 juin 3h49 19h56 16 heures 7 minutes
20 décembre 7h43 15h54 8 heures 11 minutes

On découvre donc qu’au début de l’été, la journée est deux fois plus longue qu’au début de l’hiver à nos latitudes moyennes (46° pour l’île de Ré). Nous avons là une deuxième raison pour comparer honnêtement les climats à différentes saisons, même si cette explication pèse moins que celle portant sur la hauteur du Soleil.

Fig 15 : arc-en-ciel
Fig 15 : arc-en-ciel
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

D – « L’été, c’est le plein de lumière et beaucoup d’énergie ! »

La lumière du Soleil est composée d’une multitude de radiations transportant chacune de l’énergie, qu’elles soient visibles et colorées (du rouge au bleu et violet) ou invisibles (ultra-violet ou infra-rouge entre autres). Les composantes colorées peuvent être aperçues lorsque la lumière du Soleil traverse certains objets transparents tels un prisme en verre ou des milliers de gouttelettes d’eau, les jours de pluie, en donnant l’arc-en-ciel.

Fig 14 : le prisme
Fig 14 : le prisme
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

Comment mesurer l’énergie de cette lumière du Soleil arrivant au sol et frappant les gens et les éléments du paysage ?
Ces radiations sont plus ou moins absorbées par les objets qui les reçoivent, selon l’état de leur surface et leur couleur. Un objet noir et mat les absorbera pratiquement toutes, un objet blanc les réfléchira, un objet de couleur n’en laissera repartir qu’une partie d’entre elles.

Cette remarque peut nous permettre de finir cette discussion en proposant, pour les plus gourmands encore, une dernière expérience, une conclusion avec un café agrémenté éventuellement d’un nuage de lait, ou avec un apéritif, anisé de préférence, suivant l’heure !

Fig 16 : composantes de la lumière blanche et couleur des objets
Fig 16 : composantes de la lumière blanche et couleur des objets
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

1. Énergie absorbée et couleur des objets :

Plaçons au réfrigérateur deux verres identiques contenant en même quantité, l’un du café bien noir, l’autre du lait. Lorsqu’ils seront à la même température, allons les disposer en plein Soleil, l’un près de l’autre, avec dans chacun d’eux un thermomètre. Au bout de 20 à 30 minutes, on constatera que le café, parce qu’il est noir et qu’il a davantage absorbé la lumière, s’est échauffé de 4 à 5 degrés de plus que le lait.

Fig 17 : les deux verres de lait et de café
Fig 17 : les deux verres de lait et de café
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

2. Le ciel bleu et le soleil couchant :

Contre un grand verre rempli d’eau, plaçons une lampe de poche allumée. Versons dans l’eau trois à quatre cuillerées à café d’un apéritif anisé : le liquide paraît bleu ciel et la lampe vue au travers de ce breuvage paraît plutôt jaune orangé. Si l’on verse davantage d’apéritif, le contenu du verre devient verdâtre, puis jaunâtre et, au travers du liquide, la lampe semble d’un rouge de plus en plus sombre.

Fig 18 : expérience du ciel bleu avec du pastis
Fig 18 : expérience du ciel bleu avec du pastis
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

Dans l’eau du verre, les petites particules d’anis arrêtent et rediffusent préférentiellement les radiations bleues, comme le font dans l’atmosphère les particules composant l’air, et laissent passer toutes les autres radiations sauf les bleues de la lampe qui paraît jaune, comme paraît le Soleil au travers du ciel bleu. Si l’on verse un peu plus d’apéritif, le liquide absorbe davantage de radiations, ne se laissant finalement traverser que par la composante rouge de la lumière de la lampe. Il en est de même pour le Soleil qui, au lever ou au coucher, voit les composantes de sa lumière blanche absorbées et rediffusées par la grande épaisseur d’air traversée à ce moment-là. Seules les composantes rouges de cette lumière nous parviennent alors, d’où l’aspect du Soleil à l’aube ou au crépuscule…

Fig 19 : atmosphère de la terre et diffusion de la lumière
Fig 19 : atmosphère de la terre et diffusion de la lumière
Crédits : Jean-Luc Fouquet, Pierre Causeret

C’est donc par un apéritif que l’on pourrait commencer ce lumineux « repas des saisons » !