VERBIST, Y., et al., Physique 5 e sciences générales, De Boeck, 2011.

HPT
Formation scientifique
UAA1
AUTEURS : Philippe Godts, Jean-Baptiste Schuermans
11 mars 2015
Clarifications conceptuelles à l’usage du professeur
Les mouvements de la Terre
Etoile, planète, satellite
Les sciences contemporaines nous enseignent que la Terre n’est qu’une « planète de banlieue »
tournant autour d’une étoile (que nous appelons le Soleil) appartenant à la Voie lactée, notre galaxie.
Celle-ci a l’aspect d’un disque plat et regroupe environ 100 milliards d’étoiles. Seules les étoiles les plus
proches sont visibles à l’œil nu. Ainsi, l’étoile la plus proche du Soleil est Proxima Centauri, située à un
peu plus de 4,2 années-lumière1. Notons que notre galaxie fait elle-même partie d’un amas de galaxies,
au sein d’un univers qui défie l’imagination : le nombre de galaxies est actuellement estimé à 100
milliards, chacune étant constituée d’environ 100 milliards d’étoiles.
Nous savons aujourd’hui qu’une étoile est une boule de gaz à très haute température. Les réactions de
fusion nucléaire qui se produisent en son sein dissipent de l’énergie principalement sous forme de
rayonnements électromagnétiques (dont la lumière visible fait partie).
Les êtres humains observent le ciel depuis des dizaines de milliers d’années. Ils ont utilisé certains
phénomènes célestes comme outils de mesure du temps (le mouvement du Soleil dans le ciel, le cycle
des phases de la Lune, …). Au VIe siècle av. JC, les grecs avaient déjà remarqué que, parmi les objets
lumineux parsemant le ciel nocturne, certains ont un mouvement coordonné (ils semblent bouger tous
en même temps), tandis d’autres ont chacun une trajectoire différente, quoique régulière : ils ont appelé
ces derniers des planetès (vagabondes, en grec).
Durant tout le Moyen Age, en particulier entre les IXe et XIe siècles, c’est dans le monde musulman que
l’astronomie va connaître d’importants progrès (mise au point d’instruments d’observation comme
l’astrolabe et observation minutieuse du ciel). Parmi les facteurs qui ont favorisé le développement des
sciences dans le monde musulman, on cite généralement l’utilisation de la langue arabe comme langue
unique de communication et de transmission de la culture et les besoins culturels, l’observation du ciel
permettant de déterminer l’orientation vers La Mecque ou le moment des cinq prières.
1
L’année-lumière (AL) est la distance parcourue par la lumière en une année, soit environ 10 000 milliards de kilomètres.
HPT UAA1 CC 150620
Autour du Soleil gravitent2 huit planètes3 qui sont dans l’ordre (en partant de la planète la plus proche
du Soleil) : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, ainsi que leurs satellites 4.
A noter que la Terre n’a pas toujours été considérée comme une planète : jusqu’au XVIIe siècle, la
plupart des gens pensaient que la Terre était fixe au centre de l’univers. Ce n’est qu’avec la confirmation
de l’héliocentrisme5 qu’on a admis qu’elle se déplaçait autour du Soleil. Le modèle héliocentrique, bien
que fortement contesté pendant plusieurs siècles, a permis de donner des explications simples aux
mouvements apparemment irréguliers des autres planètes du système solaire.
En conclusion, parmi les objets célestes naturels (astres) du système solaire, nous pouvons distinguer :

au centre, le Soleil, qui est une étoile puisqu’il produit lui-même de la lumière6 ;

en orbite autour du Soleil, les planètes7 ;

les satellites, qui gravitent autour d’une planète.
Planètes et satellites ne produisent pas de lumière, mais peuvent en refléter. C’est le cas de toutes les
planètes du système solaire. Vénus apparaît parfois très brillante et, de ce fait, est parfois –
improprement – appelée « étoile du berger ». La Lune8, notre satellite, reflète également la lumière du
Soleil ; les satellites de Jupiter furent observés à la lunette par Galilée il y a plus de 400 ans.
Mouvements terrestres : jour, nuit, saisons
La Terre effectue un double mouvement 9:

un mouvement de révolution10 autour du Soleil
suivant une orbite plane elliptique (nommée
écliptique). On appelle année la durée d’une
révolution de la Terre autour du Soleil ;
2
Le verbe « graviter » désigne le mouvement d’un astre autour d’un autre plus lourd, et donc considéré comme centre
d’attraction. En particulier, dans le cas du système solaire, le mouvement de rotation d’une planète autour du Soleil est la
résultante de deux mouvements : un MRU, conséquence de l’inertie de la planète et un mouvement de chute libre vers le
Soleil, conséquence de la force d’attraction exercée par le Soleil. Par ailleurs, en vertu du principe des actions réciproques,
chaque planète exerce aussi une force sur le Soleil. C’est également le cas de la Lune en rotation autour de la Terre : la
Lune exerce une force d’attraction sur la Terre, c’est d’ailleurs une des causes majeures des marées.
3
Depuis 2006, lors du 26e congrès de l’Union Astronomique Internationale (IUA), Pluton ne fait plus partie des planètes du
système solaire. Le système solaire contient également des planètes naines (dont Pluton) et divers autres objets
(poussières, astéroïdes, comètes, …) en interaction gravitationnelle avec le Soleil. Notons que les astronomes découvrent
depuis plusieurs années des planètes qui gravitent autour d’étoiles autres que le Soleil : ce sont les exoplanètes.
4
Dans le système solaire, il y a environ 140 satellites, 140 objets de taille moyenne qui tournent autour des planètes : la
Lune autour de la Terre, Io et Europe autour de Jupiter, Titan autour de Saturne par exemple. A ceux-ci s’ajoutent
maintenant des satellites artificiels, construits par l’Homme et placés en orbite autour de la Terre ou d’autres planètes.
5
Copernic, médecin et astronome polonais (1473 -1543), publia le De revolutionibus Orbium Coelestium en 1530.
6
Le Soleil a un diamètre de 1,4 million de kilomètres, soit 110 fois celui de la Terre. Sa masse est d’environ 2.1030 kg soit
environ 330 000 fois celle de la Terre. La distance Terre-Soleil est d’environ 150 millions de kilomètres (la lumière
provenant du Soleil met donc 8 minutes pour parvenir sur Terre). La distance séparant la Terre de la Lune est d’environ 384
000 km (la lumière renvoyée par la Lune vers la Terre met un peu plus de 1 seconde à nous parvenir).
7
On peut retrouver l’ordre des planètes du système solaire à l’aide de la phrase : “Mon Vieux, Tu Me Jettes Sur Un Nuage”,
la première lettre de chaque mot correspondant à la première lettre de la planète en question.
8
A ce jour, la Lune est le seul objet non terrestre sur lequel l’être humain a marché : le premier astronaute qui a réussi cet
exploit est l’Américain Neil Armstrong le 21 juillet 1969. Après lui, 11 autres êtres humains ont foulé le sol de la Lune.
9
Image : http://www.astrosurf.com/gap47/scolaires/astronomes%20fameux/astronomes-fameux.htm (page consultée le
11 mars 2015)
10
Le mot « révolution » provient du mot latin « volvere » qui signifie rouler, tourner. Depuis le XVIIe siècle, ce mot est utilisé
en astronomie dans le sens ci-dessus et en politique pour désigner un changement brutal. La vitesse du mouvement de la
Terre autour du Soleil est d’environ 30 km/s.
HPT UAA1 CC 150620
2

un mouvement de rotation11 sur elle-même autour d’un axe reliant le pôle Nord au pôle Sud12. L’axe
de rotation de la Terre n’est pas perpendiculaire au plan de l’écliptique, mais fait avec ce plan un
angle d’environ 66°. On appelle jour la durée d’une rotation de la Terre sur elle-même13.
L’alternance de clarté et d’obscurité (jour/nuit) n’est donc pas due à un mouvement du Soleil,
contrairement à ce que pensaient les Anciens (jusqu’à Copernic), et contrairement aux conceptions
véhiculées par le langage courant (« lever » et « coucher » de Soleil). Ce n’est pas le Soleil qui se lève
à l’est, c’est la Terre qui tourne vers l’ouest.
L’éclairement a une influence directe sur la température en un endroit donné. En effet, quand la lumière
du Soleil entre en contact avec de la matière, l’énergie transportée (sous forme d’ondes
électromagnétiques) se transforme en énergie thermique, ce qui se manifeste par l’élévation de la
température de l’air et du sol.
Parmi les facteurs pouvant influencer ce réchauffement, voici les deux principaux :

Le réchauffement en un endroit donné dépend
de l’angle d’incidence de la lumière. Quand le
Soleil est au zénith14, une même quantité de
lumière se répartit sur une surface plus petite, et
provoque donc un réchauffement plus important,
que lorsque le Soleil est bas dans le ciel.

Le réchauffement en un endroit donné dépend également de
l’épaisseur de l’atmosphère traversée. En effet, quand elle
traverse l’atmosphère, la lumière entre en contact avec les
particules de l’atmosphère qui la renvoient 15 dans toutes les
directions. Plus l’épaisseur de l’atmosphère traversée par la
lumière est grande, plus il y a de diffusion, et moins il y a de
lumière qui arrive au sol. La figure ci-contre montre que
l’épaisseur d’atmosphère traversée est plus importante en
lumière rasante (B) qu’en lumière zénithale (A).
Soleil
A
B
Atmosphère
Terre
La variation de la température au cours d’une journée s’explique dès lors par la variation de la
hauteur apparente du Soleil : quand le Soleil culmine (à midi), la quantité de lumière atteignant une
certaine surface du sol est plus grande que le soir, et il y a donc plus d’énergie lumineuse produisant
de la chaleur au contact du sol.
La variation de la température au cours de l’année est pour sa part liée à l’existence des saisons. La
Terre se déplace sur une orbite décrivant une ellipse (quasi-circulaire) autour du Soleil, mais les très
faibles variations de distance entre la Terre et le Soleil n’ont aucune influence sur les saisons16. Cellesci s’expliquent par l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre, qui forme un angle d’environ 66° par
rapport au plan de l’écliptique. Cette inclinaison a deux effets : elle modifie la hauteur du Soleil à midi,
et elle change la durée d’ensoleillement.
11
Il n’y a pas d’expérience ou d’observation simple pour prouver la rotation de la Terre. Une des plus significatives est celle
du pendule de Foucault (voir par exemple : https://www.youtube.com/watch?v=3rz-Q8JLNJI (page consultée le 11 mars
2015)). La vitesse de rotation de la Terre sur elle-même à notre latitude est d’environ 0,3 km/s.
12
Le pôle Nord terrestre pointe toujours vers le même point du ciel. L’étoile qui se trouve à cet endroit a été appelée
“étoile polaire”. Cette étoile reste fixe alors que toutes les autres étoiles sont animées d’un mouvement apparent de
rotation d’est en ouest dû à la rotation diurne de la Terre. Seul élément fixe dans un ciel perpétuellement mouvant, l’étoile
polaire a longtemps été utilisée par les marins pour s’orienter.
13
Dans le contexte astronomique, le jour désigne la durée séparant deux culminations successives du Soleil (deux passages
successifs du soleil par son point culminant au-dessus de l’horizon). Cette durée varie peu au cours de l’année, sa valeur
moyenne est de 24 heures. La période pendant laquelle le Soleil reste au-dessus de l’horizon, c’est-à-dire la période
pendant laquelle il fait jour est appelée journée. Le jour solaire se distingue du jour sidéral, qui est la durée nécessaire pour
revoir le ciel étoilé dans la même direction et qui ne dure que 23 heures et 56 minutes.
14
Le zénith est le point de la voûte céleste situé à la verticale de l’observateur.
15 C’est la diffusion (voir UAA 2). Notons qu’une faible partie de la lumière est aussi absorbée sans être renvoyée.
16 Par ailleurs, la Terre est plus proche du Soleil au solstice d’hiver qu’au solstice d’été.
HPT UAA1 CC 150620
3
En été, le Soleil culmine haut dans le ciel
à midi, et sa lumière nous arrive presque
perpendiculairement. En hiver, le Soleil
est bas dans le ciel même à midi, et sa
lumière nous arrive de manière oblique.
De plus, à cause de l’inclinaison de l’axe
de rotation de la Terre, la durée de
l’ensoleillement est plus faible en hiver
qu’en été.
Ce double phénomène
provoque une baisse significative de la
chaleur produite par le rayonnement
solaire en hiver.
Aux équinoxes de mars et d’octobre, l’axe
de rotation terrestre est disposé d’une
façon qui donne le même ensoleillement
aux deux pôles (voir figure17).
Bibliographie
LINDEMANN, E., et al., Mécanique, une introduction par l’astronomie, De Boeck, 1999.
Un parcours très complet dans l’histoire des modèles de l’Univers
MORRISSON, Ph., et al., Les puissances de dix, Pour la Science, Diffusion Belin, 1984.
Les ordres de grandeur dans l’Univers
NAZE, Y., Cahier d’exploration du ciel I, Découvrir l’Univers, Réjouisciences, ULg, 2009.
NAZE, Y., Cahier d’exploration du ciel II, Mesurer l’Univers, Réjouisciences, ULg, 2012.
Deux cahiers à la fois ludiques et didactiques, conçus par l’astrophysicienne liégeoise
VERBIST, Y., et al., Physique 5e sciences générales, De Boeck, 2011.
Les astres et leurs mouvements / Modèles du système solaire
17
http://lewebpedagogique.com/histoiregeographiemolieremlfvillanueva/2008/10/04/6eme-geographie-les-rayons-dusoleil-et-les-temperatures-sur-terre/ (page consultée le 11 mars 2015)
HPT UAA1 CC 150620