Assistance technique de la séquence 2

La deuxième séquence vous invite à l'observation journalière de la course du Soleil dans le ciel. La trajectoire de l'astre du jour au-dessus de nos têtes est due à la rotation de la Terre autour de son axe Nord/Sud en 24 heures ; la variation de cette trajectoire au cours d'une année voit son origine dans l'inclinaison de cet axe de rotation sur le plan de l'orbite terrestre et à la révolution de la Terre autour du Soleil en ~365 jours. Détaillons maintenant ces notions.

Rotation de la Terre

L'alternance des jours et des nuits est probablement le phénomène astronomique le plus évident et le plus marquant pour les êtres vivants. La Terre tourne sur elle-même d'Ouest en Est en 23h56 min par rapport aux étoiles lointaines (quasiment fixes). En une journée, elle tourne également autour du Soleil d'un peu moins d'un degré, ce qui allonge légèrement la durée du jour solaire qui vaut en moyenne 24 h. C'est l'intervalle de temps qui sépare deux passages du Soleil au méridien.

On a longtemps cru que la Terre était immobile au centre de l'Univers et que l'ensemble des astres tournait autour d'elle. C'est Aristarque de Samos (310-230 av. JC) qui jeta les bases de la cosmologie actuelle en faisant tourner la Terre autour du Soleil en un an et sur elle-même "comme une toupie" en une journée. Son système nous est parvenu grâce aux écrits des historiens grecs et à ceux de ses contemporains (comme Archimède). Il fut repris par le polonais Nicolas Copernic (1473-1543), qui le premier osa faire de la Terre une planète comme les autres, révolutionnant ainsi non seulement l'astronomie mais l'ensemble de la pensée humaine.

Trajectoire du Soleil dans le ciel au cours d'une journée

C'est ce mouvement de rotation autour de l'axe Nord/Sud qui nous donne l'impression que le Soleil (et les étoiles) tourne au-dessus de nos têtes dans le sens inverse : se levant du côté de l'Est, culminant à midi dans la direction du Sud (pour l'hémisphère Nord) et se couchant finalement vers l'Ouest.

Il nous faut ici attirer votre attention sur la notion de "midi solaire". C'est le moment précis où le Soleil est au plus haut dans le ciel, donc celui où les ombres qu'il projette sont les plus courtes. Sa trajectoire dans le ciel est parfaitement symétrique par rapport à sa position à midi solaire : étymologiquement, "midi" signifie milieu de la journée, donc milieu de la durée d'ensoleillement. Attention : il ne s'agit pas du midi de nos horloges ! Qui plus est, cet instant varie de plusieurs dizaines de minutes sur toute l'année, mais nous en reparlerons au cours des séquences a venir.

Idées reçues !

On croit souvent à tort que le Soleil se lève exactement à l'Est et se couche à l'Ouest, c'est faux ! Ou plutôt, ce n'est strictement vrai que deux jours par an : aux équinoxes (dates où la durée du jour est égale à celle de la nuit). En hiver, il se lève dans la direction Sud-Est et se couche dans la direction Sud-Ouest, raccourcissant ainsi son parcours dans le ciel (de l'hémisphère Nord). En été, c'est vers le Nord qu'il étend sa trajectoire, allongeant ainsi la durée journalière d'ensoleillement (c'est bien sur l'inverse dans l'hémisphère Sud). D'où viennent donc ces variations ???

Inclinaison de l'axe de rotation

La Terre effectue un tour autour du Soleil en un an (365.25 j) en décrivant une trajectoire (que l'on appelle orbite) inscrite dans un plan qu'on nomme écliptique. A la manière d'une toupie en rotation, elle glisse sur un cercle (plus précisément une ellipse) d'environ 150 millions de km de rayon. Sa particularité est d'avoir un axe de rotation incliné sur le plan de l'écliptique : l'axe reliant les pôles est incliné de 23.5 degrés et il pointe toujours dans la même direction par rapport aux étoiles (vers la célèbre "Etoile polaire").

Le phénomène des saisons est lié à cette inclinaison et non à la variation de la distance Terre-Soleil. Ainsi, lorsque l'hémisphère boréal se réchauffe sous le soleil estival, l'hémisphère austral subit les rigueurs de l'hiver.

C'est pour cette raison que le pôle Nord est éclairé continûment pendant l'été tandis que le pôle Sud est plongé dans l'obscurité, la Terre présentant alors aux rayons solaires son hémisphère boréal. L'axe de rotation Nord- Sud restant toujours orienté dans la même direction, c'est la situation inverse qu'on observe six mois plus tard.

Attention à la notion de nord et de sud !

Jusqu'ici, nous avons exclusivement utilisé le nord géographique, c'est-à-dire la direction du pôle Nord depuis le point d'observation. Ce pôle Nord n'est autre que le point où l'axe de rotation traverse la surface terrestre. Pour trouver précisément le nord, on utilise généralement une boussole.

Mais comment fonctionne donc une boussole ?

"L’usage de la boussole peut susciter des curiosités sur le magnétisme, mais il faudra être prudent dans les explications et se contenter d’un petit nombre de constatations dans ce domaine complexe.

L'aiguille d'une boussole est un aimant qui comporte un pôle nord et un pôle sud (l'usage du mot "pôle" est ici une extension par analogie avec la Terre). Deux aimants peuvent s'attirer ou se repousser selon les positions relatives des pôles, c'est pourquoi, il faut placer une boussole loin de tout matériau magnétique ou aimant. Des substances en fer non aimantées s'aimantent à l'approche d'un aimant (exemples: épingles, clous). Certaines pièces de monnaie, en circulation encore en 2001, sont attirées par un aimant car elles contiennent du nickel. Enfin, une bobine de fil électrique conducteur se comporte comme un aimant lorsqu'elle est parcourue par un courant."

Cependant, les deux pôles magnétiques (Nord et Sud) ne coïncident pas exactement avec les pôles géographiques. De plus, ils se déplacent lentement au fil des années. Il faut ainsi appliquer une correction (appelée déclinaison magnétique) a la direction indiquée par la boussole pour trouver le nord géographique, correction qui dépend de notre position sur la Terre et de la date. ( cet aspect du magnétisme ne sera pas expliqué aux élèves)

Sachez donc que la direction Nord-Sud indiquée par votre boussole s'écarte légèrement (de quelques degrés) de la direction des pôles géographiques qui vous sera donnée plus précisément par la direction des ombres à midi solaire. Amusez-vous donc à mesurer cet angle avec vos élèves !

La séquence 2 aborde les notions de verticale et d'horizontale. Localement, ces notions sont très intuitives, mais à l'échelle de notre planète leur compréhension nécessite des explications approfondies

Se représenter la verticale et l'horizontale

La verticale en un point est la direction donnée par un fil à plomb. Une masse quelconque accrochée à l'extrémité d'un fil assure la tension du fil selon une droite dont la direction se confond avec la verticale du lieu.

L'horizontale est représentée par toute droite contenue dans le plan de la surface d'un liquide au repos, on obtient généralement ce plan avec un "niveau à bulle". C'est une règle plate, la plus longue possible, portant un petit récipient clos avec de l'eau et une bulle d'air. Lorsque le niveau est horizontal, la bulle est parfaitement centrée sur la surface supérieure du récipient, sinon, elle s'échappe vers un de ses bords.

Il existe une verticale et une infinité d'horizontales en chaque point donné. Dans la cour de l'école, toutes les verticales sont parallèles entre elles et perpendiculaires aux horizontales. En revanche, à la surface de la Terre les verticales (comme les horizontales) ne sont pas toutes parallèles entre elles. Elles sont concourantes au centre de la Terre.

Pour s'en convaincre, on pourrait mesurer les variations de l'orientation d'un fil à plomb :

Si on mesure l'angle entre 2 fils à plomb distants de 111 km (ce qui correspond à 1° de latitude), on trouverait une différence de 1°.

Pour 2 fils à plomb distants de 1 km, on mesurerait une différence de 1/100 de degré soit 36 secondes. Sur les 10 m d'une salle de classe, ce sera 0.36 seconde, ce qui est plus petit que la précision de notre rapporteur.

L'angle entre les verticales est mesurable en des points distants de plusieurs centaines de kilomètres. On sait que la Terre est ronde, mais à notre échelle elle paraît plutôt plate. Comment concilier ces deux visions ?

Notre environnement proche (les rues, le mur de la cour de recréation ...) se situe sur une portion de sphère terrestre si petite qu'on peut la considérer comme plane.

A l'échelle de la planète, la verticale de notre lieu n'est rien d'autre que le prolongement du rayon qui joint le centre de la sphère à notre position (ponctuelle) à sa surface. Ainsi, quand on passe d'un lieu à un autre (de Lille à Marseille), les rayons changent de direction définissant à chaque fois une verticale.

Bien sûr, si ce déplacement est restreint (d'un bout à l'autre de la cour de recréation), les rayons sont pratiquement confondus.

A l'échelle de la planète, l'horizontale est simplement (localement) contenu dans le plan tangent à la surface terrestre (sphérique). Sur de faibles distances, les plans tangents sont confondus et deux planches horizontales situées aux extrémités de votre classe ne sembleront pas inclinées l'une par rapport à l'autre.

Non parce que l'angle entre ces planches est nul, mais parce qu'il est trop petit pour que vous puissiez le mesurer ! Souvenez-vous que le rayon de la Terre est d'environ 6370 km, il faut donc des dimensions horizontales suffisamment grandes (au moins quelques dizaines de kilomètres) pour que la courbure puisse s'observer ( un horizon dégagé de bord de mer par exemple).

Comprendre la verticale et l'horizontale

Quel est donc "le dénominateur" commun qui permet de comprendre la nature physique de ces deux notions ? La gravitation bien sûr ! C'est bien la force de gravitation qui "attire" le poids qui tend le fil à plomb. C'est encore elle qui attire l'eau et fait que la surface du liquide est horizontale.

Mais qu'est-ce que la gravitation précisément ?

On peut la considérer comme une propriété de la matière : "la matiere attire la matière". Deux corps s'attirent mutuellement d'autant plus qu'ils sont plus massifs et que leur distance est faible. Par exemple, si vous lâchez un morceau de craie, il tombe par terre. Pourquoi ? Parce que la Terre et la craie s'attirent mutuellement.

Dans quelle direction ?

En fait, chaque point, chaque particule constituant la Terre attire la craie mais à cause de sa sphéricité (et également pour des raisons d'homogénéité de la répartition des masses dans les différentes couches qui constituent la structure interne de la Terre.), on peut considérer que la masse de la Terre est concentrée en son centre de masse( que l'on peut prendre dans une première approximation comme étant le centre de la Terre). L'attraction de la Terre sur la craie sera donc dirigée vers le centre de la Terre. C'est pourquoi le fil à plomb est dirigé vers le centre de la Terre et matérialise la verticale en un point: il se tend en indiquant le "centre des masses terrestres". Ainsi, en tombant (si vous le lâchez sans le lancer), le morceau de craie suit lui aussi la verticale !

Qu'en est-il maintenant de l'horizontale ?

Il se produit exactement le même phénomène avec toutes les particules d'une quantité d'eau : elles sont toutes attirées vers le centre de la Terre. A l'équilibre (au repos), toutes les parties de la surface d'un récipient d'eau seront à la même distance du centre de la Terre. C'est pourquoi la surface d'un liquide dans un récipient est parallèle à la surface terrestre : à notre échelle, elle dessine un plan horizontal, à l'échelle de la planète, elle épouse la courbure terrestre. Localement, la surface de l'océan (sans vagues !) est plane, mais à l'échelle du globe, c'est une sphère.

Pour aller plus loin...

La verticale passe-t-elle vraiment par le centre de la Terre? La réponse serait affirmative si la Terre était parfaitement sphérique et si la répartition des masses qui la composent était parfaitement symétrique par rapport au centre de cette sphère. En réalité, il a été démontré que la Terre est plutôt un ellipsoïde qu'une sphère. Plus précisément, elle est légèrement aplatie aux pôles. C'est un peu comme si la Terre était entourée d'un "bourrelet" autour de l'équateur. Cette dissymétrie morphologique entraîne une légère déviation de la résultante des forces d'attraction gravitationnelle qui agissent sur le fil a plomb. Celui-ci se trouve donc faiblement incliné vers l'équateur et n'indique pas exactement la direction du centre de la Terre mais la direction du "centre des masses" constitutives de notre planète.