Solstice

Le nom masculin « solstice »[4]^,[5] est un emprunt[4] au latin solstitium[6] (de sol, « soleil », et statum issu de stare, « se tenir debout, demeurer immobile »), faisant référence aux deux époques de l'année où le Soleil atteint sa plus forte déclinaison (boréale ou australe) et paraît être stationnaire pendant quelques jours.

Le terme latin solstitium est utilisé à la fin de la République romaine au I^er siècle av. J.-C. Pline l'Ancien l'emploie plusieurs fois dans son Histoire naturelle dans le même sens qu'actuellement. De même, d'un point de vue astronomique moderne, c'est la période où la déclinaison du Soleil semble constante et son mouvement apparent vers le nord ou le sud sur la sphère céleste semble s'arrêter avant de changer de direction.

Lever de soleil le jour du solstice d'été à Stonehenge.

Lever de soleil le jour du solstice d'hiver entre Crib Goch et Carnedd à Llanrug au Royaume-Uni.

Les solstices d'hiver et d'été sont la source de nombreuses célébrations, fêtes païennes ou fêtes religieuses dans différentes cultures au cours de l'histoire.

Dans l'Égypte antique, le solstice d'été correspond à peu près au gonflement des eaux du Nil et marque le début de la nouvelle année[7]^,[8].

Plusieurs tribus amérindiennes célèbrent le solstice d'été par la danse du Soleil[9].

Les Romains de l'antiquité fêtent Summanus (dieu sabin des orages nocturnes) le 20 juin.

Le christianisme célèbre différentes fêtes liées aux solstices, apparentées à la fête de la Saint-Jean, le 24 juin, à Noël, le 25 décembre.

Chez les Basques, le nom de Noël vient de celui du solstice (Olentzero, Onentzaro) et fait directement allusion à la période à partir de laquelle les jours vont rallonger.

À Stonehenge, des milliers de personnes se réunissent pour célébrer le passage à l'été.

Dans le calendrier hindou, les deux solstices sidéraux sont nommés Uttarayana et Dakshinayana. Le premier se produit vers le 14 janvier, le deuxième vers le 14 juin. Ils marquent le mouvement du soleil le long d'un zodiaque fixe par rapport aux étoiles (c'est-à-dire que les phénomènes de précession sont ignorés) et son entrée dans Mesha (un signe zodiacal qui correspondait au Bélier vers 285) et dans Tula (qui correspondait à la Balance à la même époque). Les solstices indiens sont traditionnellement calculés en se basant sur le tropique du Capricorne, d'où la différence significative entre les dates indiennes et réelles.

En Inde et en Asie du Sud-Est, le solstice d'hiver est à l'origine de nombreuses festivités locales tel que Makar Sankranti (Plus connue sous les variantes régionales d'Uttarayan au Gujarat, Pongal au Tamil Nadu, Maghi en Haryana, Magha Saaji en Himachal Pradesh, Lohri au Penjab, Makara Sankramana au Karnataka, Bhogali Bihu en Assam, Ghughuti en Uttarakhand, Makara Chaula en Orissa, Maghe Sankranti au Népal et Shishur Saenkraat au Cachemire), Songkran (Nouvel an Thaï) et Thingyan (Nouvel an Birman).

Les croyances celtiques appellent aussi le solstice « litha », qui réfère au jour où les mages récoltent des herbes dites magiques, accompagné d'un hommage à la nature[10].

Dans le néopaganisme, les célébrations des solstices correspondent à des fêtes religieuses importantes dans les mouvements druidiques et wiccans : roue de l'année, dont Krampus[11], Yule, Wren Day, Mummer's Day, Alban Arthan[12].

Le solstice d'hiver est associé à un jour férié dans plusieurs cultures telles les Saturnales romaines, Kwanzaa pour certains afro-américains, Sol invictus, Inti Raymi dans l'empire de l' Inca, We Tripantü (renaissance du soleil) chez les mapuches, etc.

Depuis 1982, la Fête de la musique correspond à des festivités organisées généralement le jour du solstice d'été.

À la différence des équinoxes, l'heure exacte des solstices est difficile à déterminer directement par l'observation. Les variations de la déclinaison solaire deviennent plus petites à mesure que celle-ci s'approche du minimum ou du maximum. Les jours précédant et suivant les solstices, la vitesse de variation de la déclinaison est inférieure à 30 secondes d'arc par jour, moins d'un soixantième du diamètre angulaire du Soleil. Ces différences de déclinaison sont à la limite des possibilités de mesure d'un sextant équipé d'un vernier et hors de portée pour des outils (gnomon ou astrolabe) plus rustiques. Les variations dans l'azimut du lever et du coucher du Soleil sont également difficiles à mesurer à cause des changements dans la réfraction atmosphérique. Sans l'aide d'outils et de méthodes plus sophistiquées, la datation du solstice présente de trois à cinq jours d'imprécision.

Ptolémée utilisait une méthode fondée sur l'interpolation. Elle consistait à mesurer la déclinaison du Soleil à midi sur plusieurs jours avant et après le solstice afin de trouver deux jours non consécutifs possédant la même déclinaison. Le solstice est alors situé à mi-chemin entre de ces deux dates. Il a été postulé qu'un intervalle de 45 jours permet d'atteindre une précision de six heures[13].

Le solstice peut être déterminé précisément avec un astrolabe de qualité. Il faut disposer d'un point intermédiaire, la Lune, visible de nuit pour pouvoir positionner l'instrument sur la sphère céleste. Il en faut un autre suffisamment brillant pour être visible de jour afin de pouvoir recaler la position horaire de la sphère céleste et positionner le Soleil sur celle-ci. Avec cette double visée, qui revient à déterminer le temps sidéral, il est possible de déterminer le moment où le Soleil passe à 90° du point vernal (intersection de l'écliptique et de l'équateur), avec la précision de la mesure (sensiblement, un jour par degré).

La hauteur du Soleil dans le ciel en fonction du temps s'apparente à une oscillation harmonique simple.
Les solstices correspondent à l'amplitude maximale (S), où la variation de position varie momentanément plus lentement en fonction du temps.
Les équinoxes correspondent aux positions nulles (E). Ils marquent la mi-temps entre les solstices et leur cycle est en déphasage d'un quart de période sur ces derniers[17].

Le Soleil est légèrement plus éloigné de la Terre lors du solstice du 21 juin par rapport au solstice du 21 décembre en raison de la nature elliptique de l'orbite de la Terre (l'ellipse a été fortement exagérée ici afin de permettre de percevoir la différence).

Le solstice est l'un des moments où la déclinaison du Soleil sur la sphère céleste semble constante : à ces instants, sa trajectoire apparente atteint son point le plus haut ou le plus bas par rapport aux étoiles. Cependant, en raison de la nature elliptique de l'orbite de la Terre, qui engendre notamment une variation de vitesse de révolution de cette dernière, le jour du solstice ne correspond pas au jour où le Soleil se lève et se couche le plus tard ou le plus tôt.

Autrement dit, le créneau de la journée pendant lequel le soleil est visible se décale légèrement, entre mi décembre et début janvier ainsi qu'entre mi-juin et début juillet ; si bien que pendant ces périodes, le raccourcissement puis le 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[18].

L'axe de rotation de la Terre est incliné par rapport à la verticale du plan de son orbite d'environ 23° 26′ 13″ et son orientation reste constante au cours d'une révolution autour du Soleil. En conséquence, pendant une moitié de l'année, l'hémisphère nord est plus incliné vers le Soleil que l'hémisphère sud, avec un maximum vers le 21 juin. Pendant l'autre moitié l'hémisphère sud est plus incliné que l'hémisphère nord, avec un maximum vers le 22 décembre. Les moments où ces inclinaisons sont maximales sont les solstices.

Au solstice de juin, la déclinaison du Soleil atteint +23° 26′ 13″ ; au solstice de décembre, −23° 26′ 13″. Le reste de l'année, elle évolue entre ces deux extrêmes.

Les solstices ne sont pas liés à la distance entre la Terre et le Soleil, variable du fait de son excentricité orbitale : la Terre atteint son aphélie au début juillet et son périhélie au début janvier. Cependant, par suite des cycles de Milanković, l'inclinaison de l'axe terrestre et son excentricité orbitale évoluent au fil du temps : dans 10 000 ans, le passage au périhélie se produira au même moment que le solstice de juin, et le passage à l'aphélie lors du solstice de décembre.

Lors du solstice de juin, le point subsolaire atteint la latitude 23° 26′ 13″ Nord, c'est-à-dire celle du tropique du Cancer[19] : l'un des points situés sur ce parallèle perçoit le centre du Soleil exactement au zénith. On reconnait le solstice d'été en raison de la durée minimale de la nuit et la durée maximale du jour. C'est également le jour où le Soleil se lève le plus au nord-est, passe au méridien avec une hauteur maximale et se couche le plus au nord-ouest. Lors du solstice de décembre, le point subsolaire atteint la latitude 23° 26′ 13″ Sud, c'est-à-dire celle du tropique du Capricorne.

Les points de la surface terrestre situés à la latitude 66° 33′ 47″ Nord (c'est-à-dire sur le cercle Arctique) perçoivent le centre du Soleil juste sur l'horizon à minuit lors du solstice de juin. La même chose se produit lors du solstice de décembre pour les points du cercle Antarctique, par 66° 33′ 47″ Sud.

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  0° (équateur) : le Soleil atteint sa culmination minimale, n'atteignant que 66,563° au nord ou au sud. Aux équinoxes, le soleil culminera à 90°. Il n'y a pas de saison et le jour dure toujours douze heures.
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  20° : le Soleil culmine à 46,563° en hiver et 86,563° à l'opposé (le jour du solstice de juin), mais il y a deux jours par an où le Soleil culmine perpendiculairement à 90°. Les jours d'été sont de deux à trois heures plus longs que les jours d'hiver. Le crépuscule dure environ une heure toute l'année.
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  50° : le Soleil culmine à 16,563° en hiver et à 63,437° en été. Le jour dure moins de 8 heures en hiver et plus de 16 heures en été. Les directions et angles des levers et couchers de Soleil lors des deux solstices sont très différents. En été, le Soleil ne disparaît pas suffisamment sous l'horizon pour que prenne fin le crépuscule astronomique. Au-dessus de 60° de latitude, le crépuscule civil dure toute la nuit. Au-dessus de 66,563°, le Soleil ne se couche pas en été.
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  70° : en hiver, le Soleil culmine sous l'horizon à −3,437° : il ne se lève pas et la zone est plongée dans la nuit polaire (avec un crépuscule prononcé cependant). En été, il culmine à 43,437° et ne se couche pas.
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  90° (pôles) : aux solstices d'hiver et d'été, le Soleil est respectivement à 23,437° en dessous et au-dessus de l'horizon, quelle que soit l'heure. Le solstice d'été marque la culmination maximale du Soleil au pôle : après cette date, il descend progressivement sur la sphère céleste et atteint l'horizon lors de l'équinoxe d'automne.