ENSOLEILLEMENT PLAN DU COURS Mouvements terre-soleil Inclinaisons et saisons Trajectoires apparentes du soleil depuis la terre

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1 PLAN DU COURS GEOMETRIE SOLAIRE Mouvements terre-soleil Inclinaisons et saisons Trajectoires apparentes du soleil depuis la terre 2. OUTILS D ETUDE DE L Abaques et diagrammes solaires Gnomon Héliodon

2 Généralités 1. GEOMETRIE SOLAIRE 1.1 Mouvement terre-soleil On considère que le soleil émet comme une source située à l infini, dont les rayons sont parallèles entre eux. Source : Mazria, guide de l énergie solaire La terre tourne autour du soleil selon un mouvement de translation sur une orbite elliptique (assimilée à un cercle). L axe des pôles forme un angle d inclinaison de par rapport au plan de l elliptique et reste parallèle à lui-même au cours du mouvement annuel. Source : J.J Delétré

3 Les 4 positions clés 1. GEOMETRIE SOLAIRE 1.2 Inclinaison et saisons Solstice d été Solstice d hiver Source : Pierre Seille, ENS INSA Lyon, Equinoxes

4 Exemples de trajectoires solaires depuis différents points de la terre 1. GEOMETRIE SOLAIRE 1.3 Trajectoires solaires Pour une même direction des rayons solaires, la hauteur du soleil évaluée en différents points de la terre ne sera pas la même. 21 Juin 21 Mars 21 Juin 21 Mars 21 Déc. Latitude 90 N 21 Juin 21 Mars 21 Déc. Latitude 45 N Latitude 0 N Source :Daniel Siret - CERMA

5 Mouvement apparent du soleil 1. GEOMETRIE SOLAIRE 1.3 Trajectoires solaires Le mouvement apparent du soleil depuis la terre dépend de la latitude du lieu d observation (P). Le point P devient le centre d une nouvelle sphère. Latitude : angle formé par la droite joignant P au centre de la terre et le plan de l équateur terrestre Plan horizontal du lieu : plan tangent à la sphère «terre» Verticale du lieu : perpendiculaire au plan horizontal du lieu Source :Daniel Siret - CERMA

6 Mouvement apparent du soleil 1. GEOMETRIE SOLAIRE 1.3 Trajectoires solaires Le mouvement apparent du soleil depuis la terre dépend de la latitude du lieu d observation (P). Dans l exemple ci-contre : Latitude 45 (λ = 45 ) λ 0 = (solstices) α 1 = α 2 = 45 α 3 = Source : J.J Delétré - EA Grenoble

7 Coordonnées angulaires du soleil 1. GEOMETRIE SOLAIRE 1.3 Trajectoires solaires Hauteur et azimut servent à définir la position d un objet par rapport à un point de référence (point d observation). Hauteur : angle formé par le rayon solaire et le plan horizontal (entre 0 et 90 ) Azimut : angle formé par la trace du soleil sur le plan horizontal et la direction Nord (dans le sens des aiguilles d une montre). Par commodité, on utilise l azimut par rapport au sud (< 0 côté Est, > 0 côté Ouest) Source :Daniel Siret - CERMA Source : Mazria

8 Généralités 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.1 Diagrammes et abaques solaires Les diagrammes et abaques solaires sont des outils graphiques simplifiés (trajectoires solaires tracées au 21 du mois), qui permettent de lire : - les trajectoires solaires - la position du soleil à un moment t - la période durant laquelle le soleil est visible depuis un point donné. En éclairage, les principales techniques de représentation des trajectoires solaires sur la voûte céleste sont : - les diagrammes cartésiens (projection cylindrique) - les diagrammes polaires (projection circulaire) Source :Cartes et figures de la terre», centre Pompidou, 1980, p. 235

9 Diagrammes cartésiens 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.1 Diagrammes et abaques solaires Les azimut sont donnés en abscisse (0 = midi solaire, quand le soleil est dans l axe sud). Les hauteurs sont données en ordonnées. Ces diagrammes sont fournis pour une latitude donnée. Source :CSTB

10 Diagrammes cartésiens 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.1 Diagrammes et abaques solaires Ces diagrammes permettent aussi de tracer les masques de l environnement et de déterminer leur influence. Pour déterminer ces masques : - choisir un point et une hauteur de référence - relever (sur le terrain ou sur un plan) la hauteur et les azimut que font les arrêtes de ces masques avec le point de référence - reporter hauteurs et azimut sur le graphe - tracer les non horizontales avec les indicateurs d occultation Attention, si vous utilisez une carte topographique (IGN), il faut soustraire l altitude du point de référence à l altitude que vous lisez sur la carte. masques proches Source :J.J Delétré - EAG masques lointains

11 Diagrammes polaires 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.1 Diagrammes et abaques solaires Ces diagrammes sont valables pour une latitude donnée. Les angles sont donnés en coordonnées polaires : - les cercles figurent les hauteurs - les rayons figurent les azimuts Le centre du diagramme correspond au zénith du lieu. Le plan de projection correspond au plan horizontal du lieu

12 Diagrammes polaires 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.1 Diagrammes et abaques solaires Les masques de l environnement peuvent être tracés manuellement. Mais ce diagramme est surtout pratique associé à l utilisation d un objectif photographique fish-eye. Source : ABC - EA Marseille

13 Le Girasol 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.1 Diagrammes et abaques solaires Le girasol est un abaque solaire universel (valable quelque soit la latitude), qui permet de lire la hauteur et l azimut du soleil pour une situation donnée Sur le support sont représentés les courbes d iso-azimut et les courbes d iso-hauteur, figurant la sphère céleste en tout point de la terre. Sur le disque transparent sont figurés les courbes solaires autour du 21 de chaque mois, et les arcs horaires de 0 à 24h. On fixe la latitude étudiée en faisant pivoter le disque transparent et on lit, pour une date donnée, les coordonnées du soleil au point considéré. Source : CERMA

14 Le gnomon 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.1 Diagrammes et abaques solaires Le gnomon repose sur le principe du cadran solaire, adapté à la latitude du lieu. Une tige verticale dont on connaît la dimension (d), est posée sur le plan horizontal. Cette tige donne une trace d ombre qu on représente pour chaque mois. Les nombres situés sur les traces solaires représentent les heures en temps solaire. Source :Daniel Siret - CERMA Courbe A : 21 juin Courbe C : 21 avril et 21 août Courbe E : 21 février et 21 octobre Courbe G : 21 décembre Courbe B : 21 mai et 21 juillet Courbe D : 21 mars et 21 sept. Courbe F : 21 janvier et 21 novembre

15 Le gnomon 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.1 Diagrammes et abaques solaires Le gnomon, associé à la géométrie descriptive, est utilisé pour le tracé des ombres. Source : CSTB

16 Principe 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.2 L héliodon et la maquette Il est possible de simuler les différentes positions solaires sur une maquette avec un héliodon et un projecteur à rayons parallèles. Les 3 axes de rotation de l héliodon : -le basculement du plateau (0 à 90 ) sur lequel est posé la maquette permet de régler la latitude - le pivotement du pied permet de choisir les mois Source :CSTB - on fait varier les heures en faisant tourner le plateau sur lui-même.

17 Exemple 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.2 L héliodon et la maquette Source :J.J Delétré - EA Grenoble

18 Utilisation du gnomon 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.2 L héliodon et la maquette On peut réaliser son propre héliodon avec un gnomon, en lumière artificielle ou en extérieur (soleil). La maquette et le gnomon sont fixés sur un plateau. Il faut faire correspondre le nord du gnomon avec le nord de la maquette. La longueur de la tige est donnée par le diagramme (tige de hauteur égale au petit cercle). On incline et on oriente le plateau de la maquette de manière à ce que l ombre de la tige corresponde à la date et à l heure considérées. Les ombres visibles sur la maquette sont alors celle de l instant choisi.

19 2. OUTILS D ETUDE DE L 2.3 Heure solaire et heure légale Les heures données par les diagrammes sont des heures solaires. Il est donc nécessaire de faire une correction de temps pour obtenir le résultat en heure légale. Décalage légal (fonction de chaque Etat) En France : été = GMT + 2h ; hiver = GMT + 1h Ecart de longitude : 4 mn / 1 (positif pour l Ouest, négatif pour l Est) Décalage d équation de temps Janv. Fév. Mars Avril Mai Juin Juill. Août Sept Oct Nov. Déc. 1er => Pour la France : HEURE LEGALE = heure solaire + équation de temps ± longitude + (1h en hiver / 2h en été) Exemple : pour un point situé à Montpellier (long : + 5 Est), un diagramme donne une ombre à 16h45 le 21 juillet. L heure légale correspondante est : H lég. = 16h45 + 0h06-0h20 + 2h = 18h31