La position géométrique du soleil

La planète terre tourne autour d’un axe définissant les pôles nord et sud du globe en 24 heures. Ce phénomène génère ainsi une alternance de jours (l’hémisphère du site considéré est alors éclairé) et de nuit (l’hémisphère est à l’ombre).

La trajectoire de la terre autour du soleil constitue une ellipse de très faible excentricité (c’est-àdire proche d’un cercle), réalisée en environ 365 jours. L’inclinaison de l’axe des pôles terrestres par rapport au plan de l’écliptique est constante et égale à 23°27' ; elle est à l’origine du phénomène de saison que nous connaissons. La distance terre-soleil varie entre 153.10⁶ km (le 3 juillet) et 147.106 km (le 3 janvier) ; sa valeur moyenne vaut 150.10⁶ km, ce qui donne un rayon apparent du soleil depuis la terre égal à 0,27°.





Notons que la distance moyenne entre la terre et le soleil définit l’unité astronomique [UA] : 1 UA = 149 597 890 +/- 500 km. Les distances minimale et maximale entre les deux astres valent donc respectivement 0,983 et 1,017 UA.

La déclinaison solaire ds représente l’angle entre les rayons du soleil et le plan équatorial. Dans l’hémisphère nord de notre planète, elle est positive au printemps et en été, négative le reste du temps ; elle varie entre +23°27' au solstice d’été (le 21 juin) et -23°27' au solstice d’hiver (le 21 décembre). Elle est donnée par l’expression mathématique suivante [BRICHAMBAUT, 1982] :

δ_s = 23,45°.sin[0,986.(J + 284)°] [Egalité I-1], J est le jour Julien, variant de 1 à 365.





Ainsi, la combinaison des mouvements de la terre sur elle-même et autour du soleil induit un mouvement apparent du soleil en tout point terrestre. Des données spatiales relatives à ces deux astres, il est possible de déterminer d’une part la position du soleil dans la voûte céleste en fonction du site (sa latitude et sa longitude) et de l’instant (jour de l’année et heure), et la durée du jour d’autre part. La position du soleil est exprimée par deux angles, à savoir :

• sa hauteur angulaire au-dessus de l’horizon communément appelée l’altitude du soleil, ou encore l’angle entre le zénith du site et la direction du soleil appelé angle zénithal.
• l’azimut, qui est son angle horizontal par rapport au sud (pour l’hémisphère nord).

La figure suivante représente le diagramme solaire établi à Lyon. Le soleil est repéré en fonction de la date et l’heure considérées.



On peut définir la «durée astronomique d’ensoleillement» ou «durée du jour» comme la période de temps séparant les événements où le soleil est à l’horizon, c’est-à-dire que sa hauteur est nulle (certains, tels que les astronomes, tiennent compte de la réfraction c’est-à-dire qu’ils prennent en considération la position «visible» du soleil, ce qui allonge un peu la durée du jour en raison de la courbe que suit le rayon au travers des couches atmosphériques de diverses densités optiques). Le diagramme suivant donne la durée du jour en fonction de la date et de la latitude du site, sur la base d’un calcul effectué à partir de la position géométrique réelle du soleil.