Pourquoi les saisons existent-elles ?
― Ce n'est pas la distance, c'est « l'inclinaison »
« S'il fait chaud en été, c'est que la Terre se rapproche du Soleil » ― n'est-ce pas ce qu'on pense spontanément ? En réalité, quand c'est l'été au Japon, la Terre s'éloigne plutôt du Soleil. Les saisons ne viennent pas d'un changement de distance, mais d'une tout autre raison : la Terre tourne en gardant un léger angle d'inclinaison.
Sous le soleil brûlant de plein été, vous vous êtes peut-être déjà dit vaguement : « il doit faire chaud parce que la Terre se rapproche du Soleil ». La Terre décrit bien une orbite autour du Soleil, et cette distance varie légèrement, c'est un fait.
Or, le moment où la Terre et le Soleil sont le plus proches se situe début janvier. Pour le Japon, c'est en plein cœur de l'hiver. À l'inverse, la distance maximale entre la Terre et le Soleil survient début juillet, en plein été japonais.
Si l'on raisonne seulement en termes de distance, l'explication ne tient plus debout.
Quand c'est l'été au Japon, la Terre est légèrement plus éloignée du Soleil. L'explication « proche donc chaud » ne colle pas aux faits.
L'axe de rotation de la Terre reste incliné obliquement par rapport au plan de son orbite pendant qu'elle tourne autour du Soleil. Cette inclinaison est la véritable cause des saisons.
Ce n'est pas la « distance » mais « l'inclinaison » qui crée les saisons ― voyons ce mécanisme étape par étape.
L'intuition « proche donc chaud » ne colle pas aux faits
La Terre ne décrit pas un cercle parfait autour du Soleil, mais une orbite légèrement déformée, proche d'une ellipse. La distance Terre-Soleil varie donc un peu au cours de l'année. Or, le moment de plus grande proximité se situe début janvier, et celui de plus grand éloignement début juillet.
Si l'explication « plus c'est proche, plus il fait chaud » était juste, janvier devrait être le mois le plus chaud de l'année. Mais c'est exactement l'inverse dans la réalité. Ce seul fait suffit à montrer que la distance n'est pas la cause principale des saisons.
Cette explication a un autre point faible. Quand c'est l'été dans l'hémisphère nord, c'est l'hiver dans l'hémisphère sud. Si seule la distance était en cause, toute la Terre devrait se réchauffer ou se refroidir en même temps ; or, dans les faits, les saisons sont exactement inversées entre le nord et le sud.
Ce qui crée les saisons, c'est « l'inclinaison de l'axe »
L'axe de rotation de la Terre reste incliné d'environ 23,4 degrés par rapport au plan de son orbite pendant qu'elle tourne autour du Soleil. Et la direction de cette inclinaison change à peine au cours de l'année.
Ainsi, tandis que la Terre parcourt son orbite, tantôt l'hémisphère nord est incliné vers le Soleil, tantôt c'est l'hémisphère sud. Quand l'hémisphère nord est incliné vers le Soleil, c'est l'été dans cet hémisphère ; à l'inverse, c'est l'hiver. Dans l'hémisphère sud, c'est exactement l'inverse.
La seule raison, c'est que la Terre tourne en restant inclinée.
Deux effets nés de l'inclinaison
Lorsqu'un hémisphère s'incline vers le Soleil, deux effets se produisent en même temps. Le premier : les journées s'allongent. Dans l'hémisphère incliné vers le Soleil, la proportion de la journée éclairée par le Soleil augmente.
Le second : la lumière du Soleil frappe le sol sous un angle plus proche de la verticale. Cet effet, moins évident, est en réalité un facteur majeur de la chaleur ou du froid saisonniers.
Plus la lumière solaire tombe « droit », plus elle est intense
Si l'on braque une lampe torche bien perpendiculairement sur un mur, on obtient un petit cercle lumineux et intense. En inclinant la même lampe torche, la forme de la lumière s'étire et s'agrandit, et l'intensité par endroit diminue. C'est parce que la même quantité de lumière se répartit sur une plus grande surface.
Il en va de même pour la lumière du Soleil. Quand le Soleil est haut dans le ciel (lumière tombant selon un angle proche de la verticale), une même surface au sol reçoit plus d'énergie. À l'inverse, quand le Soleil est bas (lumière rasante), la même quantité de lumière se répartit sur une plus grande surface, et l'énergie reçue par unité de surface diminue. Si le Soleil monte haut en été et reste bas en hiver, c'est précisément à cause de cette inclinaison de l'axe terrestre. La section dépliable suivante permet de vérifier cet écart par le calcul.
En Australie et dans les autres pays de l'hémisphère sud, décembre et janvier sont des mois d'été, juin et juillet des mois d'hiver. La distance Terre-Soleil est pourtant la même pour les deux hémisphères, mais les saisons y sont totalement inversées ― une preuve limpide que la cause des saisons n'est pas la distance, mais l'inclinaison de l'axe.
Au fait, si l'inclinaison de l'axe détermine « la durée du jour », savoir « à quelle heure il fait nuit » est une question un peu plus subtile. Voir aussi Est-il vrai que le coucher de soleil le plus précoce n'a pas lieu le jour du solstice d'hiver ?
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Dans une pièce sombre, préparez une lampe torche (ou la lumière d'un smartphone) et une feuille de papier blanc
- Braquez la lampe torche bien droit (perpendiculairement) sur la feuille, et observez la forme et la luminosité du faisceau
- À la même distance, inclinez la lampe torche et comparez la forme et la luminosité du faisceau
- Vérifiez que lorsqu'elle est inclinée, la forme du faisceau est plus étirée et plus grande, et la luminosité par unité de surface semble plus faible
C'est exactement le même mécanisme que la variation de l'énergie reçue au sol selon la hauteur du Soleil.
En résumé
Les saisons naissent, non pas d'un changement de distance entre la Terre et le Soleil, mais du fait que la Terre tourne autour du Soleil en gardant son axe incliné. Dans l'hémisphère incliné vers le Soleil, les journées s'allongent, et la lumière solaire tombe selon un angle plus proche de la perpendiculaire, apportant plus d'énergie par unité de surface, ce qui fait monter la température. L'inversion des saisons entre les deux hémisphères s'accorde parfaitement avec cette explication par l'inclinaison.
Ce n'est pas la distance au Soleil qui rend l'été chaud.
C'est cette « inclinaison » que la Terre maintient fidèlement.
Le fait que la hauteur du Soleil varie selon le lieu permet même de mesurer la taille de la Terre elle-même. Cette histoire est racontée dans Comment a-t-on mesuré la taille de la Terre ?
Pour aller plus loin ― vocabulaire, chiffres, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux sujets en cours de recherche, chaque niveau est indiqué explicitement
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau du cours « bases des sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Niveau du cours de « sciences de la Terre » au lycée, ou contenu approfondi/encadré du manuel
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (astronomie)
- RechercheSujet qui n'est même pas encore enseigné à l'université comme un fait établi, encore en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots des saisons
- Révolution : le mouvement par lequel la Terre tourne autour du Soleil.
- Axe terrestre : l'axe autour duquel la Terre effectue sa rotation.
- Hauteur méridienne du Soleil : l'angle, vu depuis le sol, du Soleil au moment où il est le plus haut dans le ciel.
LycéeVérification par le calcul : de combien la hauteur du Soleil change-t-elle l'intensité du rayonnement ?
On vérifie par le calcul la relation entre la hauteur méridienne du Soleil (l'écart d'angle par rapport à la verticale) et l'intensité du rayonnement reçu au sol.
Pour un lieu situé à environ 35,7 degrés de latitude (proche de Tokyo), on calcule l'écart d'angle par rapport à la verticale au solstice d'été et au solstice d'hiver. L'inclinaison de l'axe terrestre est d'environ 23,4 degrés.
| Écart d'angle par rapport à la verticale au solstice d'été | 35,7 − 23,4 ＝ 12,3 |
| Écart d'angle au solstice d'été | environ 12,3° |
| Écart d'angle par rapport à la verticale au solstice d'hiver | 35,7 ＋ 23,4 ＝ 59,1 |
| Écart d'angle au solstice d'hiver | environ 59,1° |
On voit qu'au solstice d'été, le Soleil monte presque à la verticale, alors qu'au solstice d'hiver, il ne monte que jusqu'à une position bien plus basse.
On sait que l'intensité du rayonnement reçu au sol diminue à mesure que l'écart d'angle par rapport à la verticale augmente (relation proportionnelle au cosinus de l'angle). Selon les tables trigonométriques, le cosinus de 12,3° vaut environ 0,977, et le cosinus de 59,1° vaut environ 0,514.
| Rapport d'intensité du rayonnement entre solstice d'été et solstice d'hiver | 0,977 ÷ 0,514 ≒ 1,90 |
| Rapport d'intensité du rayonnement | environ 1,90 fois |
Rien qu'à cause de la différence d'angle, l'intensité de la lumière solaire reçue au sol est, selon ce calcul, environ 1,9 fois plus forte au solstice d'été qu'au solstice d'hiver. En y ajoutant la différence de durée du jour, l'écart total d'énergie reçue entre l'été et l'hiver devient encore plus grand.
※ La latitude et les angles utilisés ici sont des valeurs représentatives. La hauteur méridienne réelle et le rayonnement reçu varient selon le lieu et les conditions atmosphériques.
Lycée+Le phénomène du décalage saisonnier
On sait que la période où la température réelle est la plus élevée survient un peu après le solstice d'été, moment où le rayonnement solaire est pourtant le plus fort. Cela s'explique par le temps nécessaire à l'océan et au sol pour emmagasiner puis restituer la chaleur, un phénomène appelé décalage saisonnier. Si la période la plus chaude au Japon survient vers août, plus tard que le solstice d'été (vers juin), c'est en grande partie à cause de cet effet.
UniversitéLe concept des cycles de Milanković
On sait que l'angle d'inclinaison de l'axe terrestre, la forme de l'orbite (le degré de déformation de l'ellipse) et le mouvement de précession de l'axe (son changement lent de direction) varient progressivement, sur des échelles de temps de dizaines de milliers d'années. Ces variations périodiques sont appelées cycles de Milanković, et on pense qu'elles sont liées aux variations climatiques cycliques à l'échelle du globe, comme l'alternance des périodes glaciaires et interglaciaires.
RechercheCe qui reste encore incertain
- L'ampleur et le moment précis avec lesquels les cycles de Milanković influencent le début ou la fin des périodes glaciaires font encore l'objet de débats et de recherches actifs en paléoclimatologie. Cela tient au fait que plusieurs facteurs s'entremêlent, au-delà de l'inclinaison de l'axe et des variations orbitales, comme les variations de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère.
- Des recherches visent aussi à prédire plus précisément l'évolution future de l'angle d'inclinaison de l'axe terrestre lui-même. Ce changement d'inclinaison est un phénomène extrêmement lent, à l'échelle de dizaines de milliers d'années, mais il constitue un thème de recherche important pour améliorer la précision des modèles climatiques à long terme.
Derrière ce phénomène familier que sont « les saisons » se cache un vaste champ de recherche, qui inclut même les mouvements célestes à l'échelle de dizaines de milliers d'années.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ― la Terre et l'espace | Vocabulaire de base : révolution, axe terrestre, hauteur méridienne |
| Lycée | Bases des sciences de la Terre ― mouvements du Soleil et de la Terre | Calcul de la hauteur méridienne et de l'intensité du rayonnement |
| Lycée+ | Sciences de la Terre ― système climatique | Le phénomène du décalage saisonnier |
| Université | Astronomie / paléoclimatologie | Cycles de Milanković |
| Recherche | Paléoclimatologie (en cours d'étude) | Lien entre variations glaciaires et cycles de Milanković |
- Documents explicatifs de l'Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), section « Calendar Computation » (暦計算室), sur l'orbite terrestre et les positions du périhélie et de l'aphélie.
- Explications sur la relation entre inclinaison de l'axe et saisons, tirées des manuels de « bases des sciences de la Terre » (地学基礎).
- Document explicatif de l'Agence météorologique japonaise (気象庁) sur le « décalage saisonnier » (季節の遅れ).
- Explications sur les cycles de Milanković, tirées des manuels de paléoclimatologie.
- Explications sur la relation entre hauteur méridienne et rayonnement solaire (loi du cosinus), tirées des manuels d'astronomie.
※ Les valeurs de latitude, d'angle et de rapport sont des ordres de grandeur représentatifs ; les valeurs réelles varient légèrement selon le lieu et l'année.
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Pour des données précises sur les mouvements célestes et le calendrier, veuillez consulter des sources officielles comme l'Observatoire astronomique national du Japon.