Durée du jour

Dans l'hémisphère nord de la Terre, entre le solstice d'été qui a lieu généralement vers le 21 juin et le solstice d'hiver qui a lieu généralement vers le 21 décembre, la durée du jour diminue quotidiennement. Au contraire, entre le solstice d'hiver et le solstice d'été, la durée du jour augmente quotidiennement. C'est l'inverse dans l'hémisphère sud. Le temps écoulé entre deux solstices successifs est de six mois.

La différence de durée du jour varie de quelques minutes chaque jour, réparties de façon à peu près équilibrée entre le lever et le coucher du soleil. Cependant, le créneau de la journée pendant lequel le soleil est visible se décale légèrement au voisinage des solstices, entre mi-décembre et début janvier ainsi qu'entre mi-juin et début juillet ; si bien que pendant ces périodes, le faible raccourcissement puis rallongement (ou l'inverse) de la durée de visibilité du soleil ne se fait pas par des variations symétriques des heures de lever et de coucher de l'astre solaire[1].

Durée du jour, lever et coucher de soleil à Madrid (40° 25′) en 2011.

D'une façon générale, la durée du jour au sens strict (entre lever et coucher du soleil) varie tout au long d'une année et dépend de la latitude. Cette variation est provoquée par l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l'écliptique. Elle est au plus court lors du solstice de décembre dans l'hémisphère nord et de juin dans l'hémisphère sud, au plus long lors de celui de juin dans l'hémisphère nord et de décembre dans l'hémisphère sud ; lors des équinoxes, la durée du jour est en moyenne de 12 heures sur toute la Terre.

La définition du coucher du soleil pris en compte est variable[2] :

• crépuscule standard : Soleil à 0° sous l'horizon (le haut du disque est tangent à l'horizon) ;
• crépuscule civil : Soleil à 6° sous l'horizon ;
• crépuscule nautique : Soleil à 12° sous l'horizon ;
• crépuscule astronomique : Soleil à 18° sous l'horizon.

Au sens large, la durée du jour solaire est le temps que semble mettre le Soleil pour faire un tour autour de la Terre. Autrement dit, le jour solaire est le temps séparant deux passages consécutifs du Soleil au méridien d'un lieu. Cette durée combine la rotation de la Terre sur elle-même (jour stellaire ou jour sidéral) et le déplacement de la Terre sur son orbite dans sa révolution autour du Soleil.

La durée moyenne du jour solaire était par définition de 86 400 secondes exactement, tant que la seconde était définie comme 1/86400^e du jour solaire moyen ; mais la durée réelle d'un jour solaire varie tout au long de l'année, du fait de l'inclinaison par rapport à l'équateur de la trajectoire annuelle apparente du Soleil et de la légère excentricité de l'orbite de la Terre autour du Soleil. Ainsi, aux alentours du 16 septembre, la durée d'un jour solaire est minimale à environ 86 379 secondes (23 h 59 min 39 s) ; alors qu'aux alentours du 22 décembre, elle atteint un maximum à environ 86 430 secondes (24 h 0 min 30 s)^{[réf. nécessaire]}.

À cause de la Lune et de la dissipation d'énergie que constituent les marées, la vitesse de rotation de la Terre sur elle-même diminue. La durée du jour augmente donc, au rythme d'environ deux millisecondes par siècle. De ce fait, au temps des dinosaures, il y a cent millions d'années, l'année durait trois cent quatre-vingts jours (de vingt-trois heures). La Lune s'éloignant de la Terre, cet effet d'allongement des jours (environ vingt-cinq secondes par million d'années, au Carbonifère) est de moins en moins rapide car la force de marée exercée par la Lune sur la Terre est inversement proportionnelle au cube de la distance qui les sépare.

À la fin du XVII^e siècle, Edmond Halley réalise une série de calculs pour retrouver les éclipses anciennes répertoriées dans la littérature. Il remarque que ses prédictions des trajectoires des éclipses sont décalées par rapport aux années de leur apparition. En 1695, il émet l'hypothèse que le mouvement moyen de la Lune devient plus rapide (ce qui n'est pas faux pour le mouvement apparent). En réalité, ce mouvement ralentit, car il se compose avec le ralentissement de la rotation diurne dû aux marées, et avec l'augmentation du rayon de l'orbite de la Lune qui en résulte (deux faits inconnus de Halley et de ses contemporains[4]).

L'évolution de la durée du jour solaire (durée d'une rotation de la terre sur elle-même) au cours des époques géologiques a été vérifiée expérimentalement au XX^e siècle en comptant les cercles de croissance des coraux fossiles. Les coraux ont une croissance liée à l'éclairement diurne (formation du squelette calcaire uniquement le jour), mensuelle (coraux soumis aux marées) et annuelle (épaisseur des lignes de croissance différentes l'été et l'hiver). Il est ainsi possible de déterminer le nombre de jours par an aux époques géologiques, comme pour les Rugosa, coraux du Dévonien datés par radiochronologie[5] de quatre cents millions d'années, qui montrent environ quatre cent dix lignes de croissance annuelles contre trois cent soixante-cinq pour les coraux actuels[6]. Sur d'autres coraux du Dévonien sont identifiées des bandes mensuelles équivalant aux intervalles entre les phases de pleine lune et correspondant à treize mois lunaires par année dévonienne de trois cent quatre-vingt-dix-neuf jours[7]. Des résultats similaires sont trouvés sur des stromatolithes[8].

Un principe d'isochronisme relatif à la rotation des planètes du système solaire[9] suggère que celles-ci ont toutes une période initiale de rotation comprise entre six et huit heures[10].

Les durées sont exprimées en heures et jours terrestres[13].

• Mercure - environ 59 jours
• Vénus - 243 jours
• Terre - 1 jour
• Mars - environ 1 jour et 0,6 heure
• Jupiter - 9 heures
• Saturne - environ 10 heures
• Uranus - environ 13 heures
• Neptune - environ 15 heures