Inclinaison de l'axe

Inclinaison de l'axe terrestre (aussi appelé obliquité) et sa relation avec l'équateur céleste et le plan de l'écliptique, ainsi qu'avec l'axe de rotation de la Terre.

Dans le système solaire, les planètes ont des orbites qui se situent toutes à peu près dans le même plan. Le plan de l'orbite de la Terre autour du Soleil est appelé l'écliptique. Chaque planète tourne en outre autour de son axe de rotation, phénomène à l'origine de la succession des jours locaux de chaque planète. Cet axe de rotation n'est jamais perpendiculaire au plan orbital de la planète, mais incliné d'un certain angle, très variable suivant les planètes du système solaire. Toujours suivant les planètes, cet axe est soumis au phénomène de la précession, de façon plus ou moins marquée. Mais en première approximation, cet axe de rotation garde à court terme une direction fixe dans l'espace.

Dans le cas de la Terre, cet angle était, en appliquant la formule de long terme de Laskar (1986), de 23° 26' 11,618" (ou 23,4365604829°) au 1^er janvier 2021[1]^,[2]. Cette donnée ne tient pas compte de la nutation dont l'angle était de +1,265" au 1^er janvier 2021. On parle plus couramment de l'inclinaison de l'écliptique sur le plan de l'équateur, angle qui est égal au pénultième. Par simplification de langage, on assimile parfois inclinaison de l'axe et inclinaison de l'écliptique. On parle aussi d'obliquité de l'écliptique, obliquité « moyenne » (ε_๐) si on ne tient pas compte de la nutation et obliquité « vraie » (ε) si on en tient compte, avec ε = ε_๐ + Δε, où Δε est la nutation en obliquité. Ainsi, au 1^er janvier 2021, l'obliquité moyenne, selon Laskar (1986), était de 23° 26' 11,618" et l'obliquité vraie de 23° 26' 12,882" ; à noter que, à cette date, selon le modèle P03 (2003) recommandé depuis 2006 par l'UAI et l'IMCCE, l'obliquité moyenne était de 23° 26' 11,570" et l'obliquité vraie de 23° 26' 12,835".

Du fait de la précession, l'inclinaison de l'axe de la Terre perd de nos jours, par an, environ 0,468" (Laskar, 1986) ou 0,4863" (modèle P03, 2003).

Selon Ptolémée, ce fut Ératosthène (v. 276 - v.194 av. J.-C.) qui fut le premier à démontrer l'inclinaison de l'écliptique sur l'équateur[3]. Il établit sa valeur à 23°51'. Mais Pythéas avait déjà effectué ces calculs presque un siècle avant grâce à ses mesures faites à Marseille[4] et validées par l'observation du soleil de minuit au-delà du cercle polaire lors de son expédition vers 325 à 300 av. J.-C. L'astronome danois Tycho Brahe la détermina en 1587 à 23°30'30". Il la réévalua en 1590 à 23°29'46"[5].

C'est l'existence et le maintien de cette inclinaison naturelle qui entraînent, par le déplacement de la planète sur son orbite, la succession des saisons. Ainsi, pour la Terre, de mars à septembre, la partie nord du globe voit le Soleil plus haut à midi dans le ciel que la partie sud, et c'est l'été dans l'hémisphère Nord. Comme les rayons solaires arrivent sur Terre avec un angle plus proche de 90°, une même unité de surface reçoit plus de rayons lumineux qu'à midi dans le sud à la même époque. Du fait de cette inclinaison, le Soleil se lève plus tôt, se couche plus tard, et les jours sont de fait plus longs. Les rayons solaires dans l'hémisphère Sud sont beaucoup plus inclinés et arrosent une plus grande surface, ils distribuent donc moins de chaleur par unité de surface : c'est l'hiver. Le Soleil paraît aussi plus bas sur l'horizon et les jours sont plus courts, avec un astre qui se lève plus tard et se couche plus tôt. Ces effets sont d'autant plus prononcés que la latitude de l'observateur est grande. À l'équateur, l'effet est d'ailleurs très faible, et la durée du jour et de la nuit ne varie presque pas (même si la position du Soleil dans le ciel varie en longitude). Aux pôles, l'effet est extrême, si bien que le jour et la nuit y durent 6 mois chacun.

D'un point de vue astronomique, on peut noter quatre points particuliers sur la trajectoire d'une planète en fonction de son inclinaison :

• lorsque le côté nord de l'axe de la Terre penche vers le Soleil, c'est le solstice de juin, le jour le plus long pour l'hémisphère Nord. Le Soleil à midi est au zénith du tropique du Cancer, qui a une latitude de 23° 26' 12" nord. C'est le jour le plus court pour l'hémisphère Sud ;
• lorsque le côté sud de l'axe de la Terre penche vers le Soleil, c'est le solstice de décembre, le jour le plus court pour l'hémisphère Nord. Le Soleil à midi est au zénith du tropique du Capricorne, qui a une latitude de 23° 26' 12" sud. C'est le jour le plus long pour l'hémisphère Sud ;
• les deux autres points correspondent aux équinoxes de printemps et d'automne. L'axe se trouve alors dans un plan orthogonal à la direction du Soleil ; la durée des jours est égale à celle des nuits, au nord comme au sud, et le Soleil à midi est au zénith de l'équateur.

En ce qui concerne la Terre, une propriété importante de l'obliquité est la variation cyclique de sa valeur : celle-ci varie entre 24,5044° (ou 24° 30' 16") et 22,0425° (ou 22° 2' 33"), suivant un cycle de 41 000 années. Les saisons varient donc suivant les millénaires de forte inclinaison ou d'inclinaison plus faible, une inclinaison plus forte impliquant des saisons plus marquées. Ce caractère cyclique est utilisé en cyclostratigraphie. Il a été démontré en 1993 par Jacques Laskar que la Lune stabilise la valeur de l'obliquité autour de 23°, et l'empêche ainsi de varier de façon chaotique[6]. D'après W.R. Ward[7], le rayon de l'orbite de la Lune (lequel est en permanence en train de croître à cause des effets de marées) passera de 60 à 66,5 fois le rayon de la Terre en environ 1,5 milliard d'années. Une résonance planétaire se produira alors, induisant des oscillations de l'inclinaison entre 22° et 38°. Ensuite, en approximativement 2 milliards d'années, quand la Lune atteindra la distance de 68 fois le rayon de la Terre, une autre résonance provoquera de plus grandes oscillations, entre 27° et 60°. Cela aura des effets extrêmes sur le climat, toutes considérations concernant l'activité solaire mises à part.

• Pythéas
• Jacques d'Allonville de Louville
• Leonardo Ximenes
• l'excentricité orbitale et la précession, les deux autres paramètres astronomiques terrestres qui ont un effet sur les changements climatiques.
• Paramètres de Milanković

Phénomène des saisons expliqué par l'inclinaison de l'axe de la Terre

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