Mouvements de la terre et de la lune : temps, phases de la lune, éclipses (2023)

Mouvements de la terre et de la lune :
Heure, calendrier, phases de la lune, éclipses, marées

KS de Boer, Observatoire Univ. Bonn

Le système terre-lune tourne autour du soleil, la lune tourne autour de la terre et la terre et la lune tournent sur leurs propres axes. Ces mouvements et leurs changements offrent une grande variété d'apparences.

Contenu1.:Orientation et mouvement de la terre durée de l'année début de la nuit en décembre. équation du temps calendrier2. :Mondbahn taille de la lune fenêtre3. :marée Changement de la durée du jour

1. La terre, le temps, les saisons

La terre se déplace sur une orbite légèrement elliptique autour du soleil. Au moment où la terre est au point d'intersection de l'orbite elliptique et du demi-grand axe, qui est proche du soleilPérihélie, le calendrier du monde occidental montre autour du 2 janvier.

La terre tourne autour de son axe selon un rythme fixe. (Prouver cette rotation n'est pas facile ! Voirrotations dans le système solaire.) Notre journée est définie par la durée entre les moments où le soleil est à sa hauteur maximale dans le ciel (en milieu de journée). Puisque la terre a une orbite elliptique autour du soleil, se déplaçant parfois plus vite et parfois plus lentement sur l'orbite (lois de Kepler), mais elle a une vitesse de rotation intrinsèque fixe, le temps varie entre les hauteurs maximales du soleilMoyenne journée ensoleilléedéfini, qui a une durée de 24 heures.

Si vous considérez la rotation de la terre non pas par rapport au soleil, maispar rapport au vaste ciel étoilé, alors vous vous rendez compte qu'une révolution de la terre prend 23 heures et 56 minutes, donc4 minutes de moins que les 24 heures du jour solaire. En raison du mouvement de la terre sur son orbite, le soleil est juste "4 minutes plus loin" dans le ciel (voir figure ci-dessous). Ainsi, le ciel étoilé "se décale" un peu chaque nuit : chaque étoile se lève 4 minutes plus tôt le lendemain.

L'axe de rotation de la Terre est incliné d'environ 23 degrés par rapport à la perpendiculaire à l'orbite terrestre. La projection de l'équateur terrestre sur le ciel s'appelleéquateur céleste. C'est la base du système de coordonnées astronomique habituel (l'équatorial) dans le ciel. La trajectoire décrite par le soleil vue de la terre (voir image ci-dessous) dans le ciel s'appelle laécliptique. Les grands cercles de l'écliptique et de l'équateur céleste se croisent à l'équinoxe dit vernal.

La terre tourne autour du soleil en un an. Aux alentours du 2 janvier, la Terre orbite autour du périhélie. Le périhélie est l'intersection du demi-grand axe avec l'orbite terrestre (à gauche). L'axe de rotation de la Terre est incliné de 23 degrés par rapport à l'écliptique. La direction dans laquelle l'axe de rotation est incliné s'écarte de quelques degrés de la direction du grand axe orbital. Le point de l'orbite où l'axe de rotation pointe exactement à l'opposé du Soleil amène lesolstice d'hiver, le solstice d'hiver le 21 décembre.(photo sortieAstronomie,S.51.)

En raison de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre, nous vivons les saisons (été, automne, hiver, printemps). Le moment du solstice de notre hiver est celui où l'axe de rotation de la terre pointe exactement à l'opposé du soleil (au pôle Nord, vous ne voyez pas du tout le soleil). La direction dans laquelle l'axe de rotation est incliné n'est pas fixe, mais change très lentement en raison de laprécession. L'axe tourne une fois autour de la normale orbitale en environ 25 700 ans (la terre vacille comme une toupie) et cela décalera le solstice d'hiver au fil du temps sur le calendrier. Le milieu de l'hiver tombe maintenant approximativement le 21 décembre. Lorsque la Terre est en orbite de l'autre côté du Soleil, l'axe de rotation est incliné vers le Soleil (le Soleil est alors visible au pôle Nord pendant 24 heures).

Au fur et à mesure que l'orbite terrestre approche de notre hiver, l'élévation maximale du soleil pendant la journée (à l'automne) devient de plus en plus petite jusqu'à ce que le soleil "tourne" (le matinSolstice, donc "s'arrête"), c'est-à-dire le jour du "solstice" leTropique sud du Cancer. Inversement, tout s'applique de manière analogue au solstice d'été, lorsque le soleil est allumétropique du Cancerse tourne. Le tropique du Cancer est le cercle géographique de latitude auquel le soleil est verticalement au-dessus (au zénith) au solstice d'été à midi.

Tout ce qui vient d'être dit est vu à l'envers dans l'hémisphère sud. Quand c'est l'hiver ici, c'est l'été là-bas et alors la partie "sud" de l'axe de rotation est inclinée vers le soleil !

En été, la terre est plus éloignée du soleil qu'en hiver à cause de l'ellipticité de l'orbite. Il en résulte une légère différence dans l'énergie captée par la Terre durant notre été par rapport à celle de l'été de l'hémisphère sud ! Et donc en hiver.

Mourirdurée d'un anest déterminée par les passages successifs de la terre par des points saillants de l'orbite. Le temps d'une révolution d'équinoxe vernal à équinoxe vernal est appelé "l'année tropicale". La terre ne fait pas un nombre entier de révolutions par an et il y a donc 365,2422 jours dans une année tropique. Il est donc clair qu'un événement (l'année) lié à l'orbite terrestre ne correspond pas toujours au même calendrierétiqueterpeut tomber (les jours sont définis par les révolutions de la terre). Pour cette raison, les informations sur les dates calendaires indiquées ci-dessus étaient toujours accompagnées d'un "à propos". (De plus, à cause de la précession, l'équinoxe vernal est reculé d'environ 50 secondes d'arc par an ; voirprécession.)

Il existe deux autres définitions pour l'année. "L'année sidérale" est le temps qu'il faut au soleil pour atteindre le même point sur l'écliptique tel que vu de nous. Elle dure 365,2564 jours. "L'année anormale" est le temps qu'il faut à la Terre pour revenir au périhélie. Cette année dure 4 minutes de plus que l'année sidérale. Cela est dû au fait que le grand axe principal de l'orbite terrestre se déplace vers l'est de 11 minutes d'arc par an, ce qui signifie un déplacement du périhélie.

Pourquoi fait-il noir si tôt à la mi-décembre et si tard au début de janvier ?

La Terre a des vitesses orbitales continuellement différentes sur son orbite elliptique. Dans la partie la plus éloignée de l'orbite autour du soleil, la vitesse est plus petite, dans la partie proche du soleil (à l'époque du solstice d'hiver du nord avec la nuit la plus longue de l'hémisphère nord), elle est élevée. Or, notre temps (le « vrai temps ») est donné selon un rythme fixe, à savoir après ledurée moyenne du jour. L'écart entre le temps vrai et le temps solaire moyen (seulement connu depuis l'horloge à pendule ; Christian Huygens, 1673) est calculé à l'aide de laéquation du tempsdonné. Du fait de la variation de la vitesse orbitale, avec le même rythme de rotation, la nuit et le jour se décalent un peu par rapport à notre époque ! À l'automne de l'hémisphère nord, l'obscurité du soir précède le jour moyen, et bien sûr l'aube aussi. Passé le solstice d'hiver, la déviation tourne dans le sens inverse et le jour moyen vient plus tard que le jour solaire, de sorte que la période d'obscurité est décalée par rapport à l'horloge : l'éclair du matin est retardé. D'où les jours sombres précédant Noël et les débuts sombres des jours ouvrables en janvier.

Puisque l'axe de rotation de la Terre s'incline dans une direction qui n'est pas dans le plan du demi-axe et de la verticale de l'orbite, le phénomène décrit ci-dessus aura également une autre petite asymétrie temporelle. En fin de compte, les heures de coucher et de lever du soleil montreront toutes deux une onde sinusoïdale, mais les deux ondes seront déphasées d'environ 20 jours. Le premier soir tombe vers le 10 décembre, le dernier lever de soleil vers le 1er janvier.

Pourquoi y a-t-il différents calendriers ?

Dans presque toutes les cultures, les calendriers sont basés sur des phénomènes célestes qui indiquent la saison.

Calendrier qui se trouve sur lemouvement du soleilbasé sur le ciel (solstice !) ont une année d'environ 365 jours, chacun avec des années bissextiles (juste pour que les 365,2422 révolutions s'inscrivent dans une orbite terrestre). À l'époque romaine (Jules César, année julienne), l'année était définie comme 365,25 jours. Cependant, l'écart dû à la différence restante de 0,0078 jours est devenu si grand au fil du temps qu'une révision du calendrier a été effectuée en 1582 (Pape Gregorius ; l'année grégorienne), et on a simplement ajouté 12 jours à l'année et défini comment les années bissextiles doivent être utilisés sont. L'Église orthodoxe orientale n'a pas accepté cette révision. Ce n'est qu'après la révolution en Russie qu'elle a été acceptée par l'État (il y a donc à la fois des révolutions d'"octobre" et de "novembre"). L'Église orthodoxe a accepté le nouveau calcul de l'année bissextile mais n'a pas inclus les 12 jours et célèbre donc Noël le 6 janvier.

Il existe de nombreux calendriers sur leapparition de la lunebasé. Étant donné que la période orbitale de la lune vue de la terre est de 29,5 jours (le mois "synodique"), la lune effectue environ 12,4 de ces orbites autour de la terre en une année terrestre (orbite de la terre autour du soleil). Comme un nombre entier de "lunes synodiques" définissent néanmoins "l'année lunaire" dans le calendrier lunaire, les heures calendaires du tournant de l'année se décalent mutuellement. C'est le cas dans le monde islamique, où le calendrier est basé sur le rythme de la lune. Il existe d'autres cultures (avant; Babylone) dont les calendriers respectifs avaient des ajustements à cela (par exemple, des années lunaires de 12 mois alternaient avec des "années bissextiles" de 13 mois).

Dans une certaine mesure, notre calendrier a aussi des aspects liés au calendrier lunaire. Le mot mois remonte à la lune et vous avez en fait des "lunes" allongées. Et Pâques (après Austro, une déesse du printemps germanique) tombe (depuis le décret du Concile de Nicée, 325 après JC) le premier dimanche après la première pleine lune après (ou le) 21 mars (équinoxe vernal). Les jours de Carnaval, de Pentecôte, etc. sont alors définis à intervalles fixes à Pâques.

La lune a une orbite elliptique dont les paramètres et les variations sont fortement influencés par l'interaction gravitationnelle avec la terre.

période orbitale et plan orbital

La lune se déplace autour de la terre avec une période orbitale de 29,5 jours Plus précisément : la terre et la lune se déplacent en 29,5 jours autour du centre de masse commun, qui est toujours à l'intérieur de la terre. De notre point de vue, la lune se déplace vers l'est à environ 12 degrés par jour devant le ciel étoilé derrière elle.

Le plan orbital de la Lune est incliné d'environ 5 degrés par rapport à l'orbite terrestre (et donc à l'écliptique). Il y a un angle entre l'orbite de la Lune et le plan équatorial de la Terre d'environ 18 degrés. Le plan de l'orbite lunaire "vacille" avec un rythme d'environ 18,6 ans. Ainsi, au cours du temps (mois et années), la lune peut être vue dans le ciel à différentes altitudes, c'est-à-dire parfois plus hautes et parfois plus basses que l'écliptique.

L'orbite étant elliptique, la lune est tantôt proche et tantôt plus éloignée de la terre (la distance moyenne est de 384400 km). La variation est d'environ 5% dans les deux sens, ce qui signifie une variation de luminosité de 20% (soit environ 0,2 mag). Cependant, cela est à peine perceptible pour un simple observateur (par exemple avec une pleine lune), car la luminosité de la lune change continuellement en raison des phases de la lune. Autaille de la lunedans le ciel (diamètre angulaire) la variation de distance est facile à mesurer (voir image).

Rotation des Mondes

La lune tourne lentement sur son axe. La lune effectue une orbite autour de la terre en même temps ! Cela signifie que nous voyons toujours (à peu près) le même côté de la lune.

Combien de temps dure un jour lunaire ? Et à quel rythme la terre se lève-t-elle et se couche-t-elle vue de la lune ? Et le soleil ? Pour clarifier cela, en tant qu'observateur, pensez au point au milieu du disque lunaire qui nous est visible !

Puisque la lune se déplace parfois plus lentement et parfois plus vite sur son orbite elliptique (lois de Kepler) parce que sa propre rotation maintient la même vitesse, le point au milieu de la face visible de la lune se déplace en partie vers l'avant par rapport au milieu pendant l'orbite et y reste puis revient plus tard. De notre point de vue, cela fournit une fluctuation appelée "Libration". Cela signifie que nous pouvons explorer environ 59% de toute la surface lunaire depuis la Terre, malgré la même orbite et le même temps de rotation intrinsèque, grâce à la libration (regardez un peu plus du côté gauche ou du côté droit). Des satellites étaient nécessaires pour explorer la face cachée de la lune.

Phases de lune et éclipses

Les phases de la lune sont causées par la lune tournant autour de la terre et le soleil éclairant la moitié de la lune. LeGéométrie du triangle Lune-Terre-Soleildétermine si la lune est plus du côté du soleil ou du côté opposé vu de la terre. Dans le dernier cas, c'est la pleine lune. Lorsque la lune est du côté du soleil, nous ne pouvons pas voir la face éclairée de la lune : c'est la nouvelle lune. À la nouvelle lune, la lune est encore faiblement visible. La lumière réfléchie par la lune est la lumière du soleil réfléchie de la terre vers la lune. A quoi ressemble la terre vue de la lune à cette époque ? Dans quelle "phase" se trouve la Terre à ce moment-là ?

La lune met 27,3 jours (le mois « sidéral ») pour effectuer une orbite à 360 degrés. Ce temps est différent de celui du mois synodique, précisément parce que le temps d'une révolution de 360 ​​degrés est différent du temps que met la lune pour revenir du côté de la terre opposé au soleil, puisque la terre tourne également déplacé dans le temps.

Dans le dessin, la différence entre le mois sidéral et le mois synodique est indiquée. Le mois sidéral est le temps entre les positions 1 et 2 de la lune (après une révolution de 360 ​​degrés), le synodique le temps entre les positions 1 et 3, en tenant compte du mouvement de la terre. Voir les informations de position pour les cercles de lune. Ce n'est qu'après un mois synodique que le soleil, la terre et la lune peuvent s'aligner et alors seulement peut-il y avoir une éclipse solaire ou lunaire. (Image de Unsöld et Bascheck, Der Neue Kosmos.)

Les éclipses se produisent lorsque la terre, le soleil et la lune sont alignés. Lorsque la lune est devant le soleil, il y a une éclipse solaire (visible dans une petite bande sur terre). La bande a une largeur liée à la distance Lune-Terre. Lorsque la terre est entre le soleil et la lune, il y a une éclipse lunaire. La terre obscurcit la lune, mais pas complètement, puisque la lumière du soleil dispersée dans l'atmosphère terrestre (principalement la partie rouge est transmise, extinction) atteint toujours la lune.

En plus de la liaison gravitationnelle de la lune et de la terre dans leurs orbites, il existe une interaction gravitationnelle avec des conséquences.

flux et reflux

La Terre et la Lune sont attirées par gravitation l'une vers l'autre. Du côté de la Terre faisant face à la Lune, l'eau de surface est attirée vers la Lune (voir image); il monte vers la lune. De l'autre côté de la terre, l'effet de la force gravitationnelle de la lune est bien sûr plus faible, mais il n'y aura pas de puits d'eau là-bas. Voir la représentation schématique (à droite) pour l'explication.
La force exercée par la lune sur la terre et sur la surface de la terre est indiquée par des flèches. Du côté faisant face à la lune, la flèche (vecteur) est bien sûr plus grande que du côté opposé à la lune. La force de la force au centre est entre les deux.Demcentre de la terred'autre part, cela (soustraire les vecteurs les uns des autres !) conduit à une force vers l'extérieur (résiduelle) des deux côtés, ce qui explique que l'eau va monter des deux côtés (également du côté opposé). L'eau des océans a donc deux "montagnes inondées" (voir aussiWikipedia, l'encyclopédie libre). Comme la terre tourne et que les crêtes de marée restent alignées avec la lune, ces crêtes de marée mènent à lamaréedes mers, au rythme de 12 heures + 24 minutes entre deux marées. Ce temps (pour une journée entière 24 heures + 48 minutes) correspond au mouvement de la lune dans le ciel de 12 degrés par jour (voir ci-dessus àMondbahn). Le flux et le reflux sont clairement visibles sur les côtes. En effet, du fait de la rotation de la terre, les côtes courent vers les montagnes inondables (voir livreAstronomie,S.113) !
[La soi-disant "force centrifuge" résultant de la rotation de la terre entraîne un léger soulèvement des océans le long de celle-cientierzone équatoriale et n'est donc pas l'explication des deux montagnes inondées et des marées.]

L'effet gravitationnel du soleil produit également de tels renflements à la surface (de l'eau). La contribution du Soleil est environ la moitié de celle de la Lune. Lorsque la marée de la lune et celle du soleil coïncident (quand cela se produit-il ?), cela conduit à ce qu'on appelle les marées de vives-eaux.

L'effet gravitationnel de la lune sur la surface (presque) solide de la terre provoque également un (double) « raz de marée ». Cette élévation de la surface solide est au maximum d'environ 20 centimètres.

Changement de la durée du jour

L'eau de mer qui monte à cause de la lune se déplace par rapport à la surface de la terre. Avec cela, il subit des frottements, notamment sur les côtes. La perte d'énergie due à ce frottement (frottement de marée) ralentit la rotation de la Terre : la durée du jour augmente. L'effet du soleil y contribue également. La variation de la durée du jour est d'environ 50 ms/jour ; c'est peu, donne un décalage horaire d'environ 1,5 heures au total sur 3000 ans. Cela a d'abord été dérivé du moment des éclipses solaires et lunaires enregistrées en Mésopotamie et en Chine ancienne. En même temps, cela modifie l'équilibre de rotation de la terre et de la lune ; la lune s'éloigne.