Pourquoi voit-on ce que l on voit. Mécanique céleste

Transcription

1 Pourquoi voit-on ce que l on voit Mécanique céleste

2 Introduction La Terre tourne sur elle même La Terre tourne autour du Soleil. La Lune tourne autour de la Terre Et le reste?

3 Introduction Depuis la préhistoire, on observe le ciel. Pour mesurer le temps. Pour s orienter. Pour comprendre.

4 Que vois-t-on Différents objets o Le Soleil o La Lune o Les planètes o Les étoiles

5 Et tout ça change d heure en heure, de jour en jour.

6 La Terre tourne sur elle-même Proposé par Copernic en 1543

7 Quels en sont les effets : La rotation de la voute céleste, environ 0,25 /mn. La diminution de la pesanteur en allant du pôle à l équateur. La déviation vers l Est d un corps en chute libre. Le pendule de Foucault.

8 Le pendule de Foucault. On fait se balancer une masse au bout d un câble. Le balancement du pendule reste orienté dans la même direction alors que la terre tourne en dessous sans l entrainer avec elle.

9 Pendule de Foucault au Panthéon

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11 Aux pôles un tour en 24 heures. A l équateur.. Il ne bouge pas. A paris, 267 en 24 heures.

12 Durée du jour Jour sidéral C est le temps que la Terre met pour effectuer un tour complet sur elle-même. Le repère est le point vernal. Durée : 23h56mn4,091s. A cause des effets de marée, il augmente de 1,64 ms par siècle, il y a 400 millions d années, la durée du jour sidéral était de 22h environ. Jour Stellaire C est le temps entre deux passages au méridien d une étoile. A cause de la précession des équinoxes, il est plus court de 8,3ms que le jour sidéral. Jour Solaire vrai. C est le temps entre deux passages du Soleil au méridien. Durée : 24h.

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14 Inclinaison de son axe L axe de rotation de la Terre forme un angle de 66,56 avec plan de l écliptique. Mais on parle plutôt de l angle de l écliptique par rapport à l équateur céleste : 23,43

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16 Il est toujours orienté dans la même direction par rapport aux étoiles.

17 Cette inclinaison est responsable des saisons. En hiver les jours sont plus courts, ça chauffe moins longtemps.

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19 Les rayons du Soleil arrivent de façon plus oblique. Une même quantité d énergie en provenance du Soleil s étale donc sur une plus grande surface : ça chauffe moins.

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21 Le Soleil est bas en hiver, haut en été, c est l inverse pour les planètes. Ce n est pas l inclinaison de la Terre qui change c est uniquement notre point de vue sur le système solaire.

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24 La direction de l axe change Précession des équinoxes Découvert Hipparque aux environs de -130 Période de ans environ A l heure actuelle décalage d environ 1 pour 72 ans Lié aux forces de marées de la Lune et du Soleil

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27 La précession des équinoxes influence aussi le climat, contraste hiver/été

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29 L inclinaison change. Nutation Découvert en 1748 par l'astronome britannique James Bradley Balancement de l axe de la Terre d une amplitude de 17,2" avec une période de 18,6 ans. Le pôle céleste décrit une ellipse car il y a deux composantes, la nutation en longitude et la nutation en obliquité. Phénomène lié à la Lune et au renflement équatorial de la Terre.

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32 Variations de l'obliquité de l'axe Cycles de ans, variation de 22,1 à 24,5 Phénomène lié aux autres planètes Influence sur le climat, contraste hiver/été

33 Stabilisé par la Lune. Dans 1,5 milliard d années la Lune se sera plus éloignée de la Terre, l inclinaison ira de 22 à 38 et 2 milliards d années de plus et ce sera de 27 à 60 Sur Mars, cette variation est de 15 et 35 sur une période de ans

34 La polhodie de l axe de la terre. L axe de rotation de la Terre ne correspond pas à son axe d inertie. Les pôles de la Terre se déplacent dans un carré de 20m x 20m environ.

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37 Dans les catalogues, les coordonnées des étoiles sont données pour une date particulière, en général Il faut donc effectuer les corrections nécessaires pour pouvoir les utiliser précisément à une date donnée.

38 Site de l observatoire de Paris

39 La Terre tourne autour du Soleil. Les grecs y avaient pensé Aristarque de Samos vers -280 Hypatie d'alexandrie vers 370. Mais c est Nicolas Copernic qui fut le premier à proposer un modèle héliocentrique incluant la Terre et toutes les planètes connues à l'époque.

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44 Ces gravures sont tirées de : Harmonia Macrocosmica de Andreas Cellarius publié en 1660 et qui fut un ouvrage majeur dans la discipline.

45 Les lois de Kepler Kepler découvrit ces lois grâce à un travail d'analyse considérable des tables astronomiques établies par Tycho Brahe.

46 En particulier l'étude de Mars lui permit de montrer que le mouvement n'était pas épicyclique mais elliptique.

47 Les deux premières publiées en 1609 dans Astronomia Nova et la troisième en 1618.

48 Tyhco Brahe Johannes Kepler

49 Première loi Loi des orbites. Les planètes du système solaire décrivent des trajectoires elliptiques dont le Soleil occupe l'un des foyers. Plus précisément, c est le centre des masses ( le barycentre) qui occupe l un des foyers. Pour Jupiter, ce décalage est de 1,07 rayon solaire

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51 Deuxième loi Loi des aires le rayon Soleil-planète balaie des aires égales pendant des intervalles de temps égaux. Lorsque la planète passe au plus prêt du Soleil ( périhélie), elle va plus vite que lorsqu elle est loin du Soleil (aphélie)

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53 Troisième loi Loi des périodes Le carré de la période de révolution est proportionnel au cube du demi grand-axe de l'orbite. Plus la planète est loin du Soleil, plus elle tourne lentement. 2 fois plus loin 2,8 fois moins vite 3 fois plus loin 5,2 fois moins vite 4 fois plus loin 8 fois moins vite 5 fois plus loin 11,2 fois moins vite

54 En s'appuyant sur les lois de Kepler, Newton réussit à donner une expression mathématique à la force qui fait s'attirer mutuellement tous les objets et put ainsi énoncer la loi de la gravitation universelle

55 Ses lois ont aussi permis, de mettre en évidence des irrégularités de mouvements de corps connus. L'exemple le plus spectaculaire fut celui des irrégularités d'uranus qui permit la «découverte» par le calcul de Neptune par John Couch Adams en 1843 et par Urbain Le Verrier en Découverte confirmée par l'observation de Johann Gottfried Galle en 1846 à 1 de la position calculée par Le Verrier et 12 de celle calculée par Adams.

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57 Quels en sont les effets : Changement de la voute céleste au cours des saisons, environ 1 par jour Aberration stellaire annuelle

58 L aberration stellaire Publié en 1728 par James Bradley. Elle résulte de la vitesse finie de la lumière et de la vitesse de rotation de la Terre autour du Soleil. Elle est de +/- 20,4958 secondes d arc. Cette découverte met fin définitivement à la polémique sur le caractère fini de la vitesse de la lumière.

59 Les étoiles semblent décrire une ellipse tout au long de l année.

60 On peut faire une analogie avec un passant marchant sous la pluie. La pluie tombe verticalement quand il est immobile mais semble tomber obliquement lorsqu il avance. De même, la lumière semble venir d une direction différente quand l observateur est en mouvement.

61 L année sidérale Durée de l année C est la durée nécessaire pour que le Soleil retrouve la même position par rapport aux étoiles fixes sur la sphère céleste, observée depuis le même lieu sur la Terre. C est donc la durée que met la Terre pour boucler son orbite soit 365j 6h 9mn 9,77 s L année tropique ou année équinoxiale Intervalle de temps dans lequel la longitude moyenne du Soleil sur son orbite apparente (l écliptique) croît de 360 soit 365j 5h 48mn 45,2606 s C est l année de la périodicité des saisons. Elle diminue de 0,53s par siècle à cause de l interaction entre la Terre et les autres corps du système solaire. L année anomalistique Durée entre deux passages de la Terre à son périhélie. 365 j 6h 13mn 53s

62 Année Civile Elle correspond à un nombre entier de jours. Sa durée est proche de celle de l année tropique. 365 ou 366 jours.

63 Année bissextile 366j : deux fois 6 Elle est apparue dans le calendrier Julien (du nom de Jules César ) en -46 On rajoute 1 jour tous les 4 ans. Mais on constate une dérive, un jour en 134 ans.

64 Pour compenser la dérive de la date de Pâques, le 15 octobre 1582, le pape Grégoire XIII met en place un nouveau calendrier C est le calendrier grégorien, celui que nous utilisons. Pour corriger le décalage, on est passé du jeudi 4 octobre 1582 au vendredi 15 octobre 1582.

65 On ajoute toujours un jour, au mois de février, tous les 4 ans mais pas les années séculaires ( 1700, 1800, 1900) sauf si elles sont divisibles par 400 (comme 2000). Il reste encore une dérive d environ un jour tous les 3000 ans.

66 Son orbite C est une Ellipse (1 er loi de Kepler) Le plan de l orbite terrestre = plan de l écliptique. Demi-Grand-Axe km = 1UA. Périhélie km. Aphélie km. Différence 3%. Excentricité 0,017

67 Elle tourne donc autour du Soleil à km/h environ. Mais ramenée à l échelle plus réduite d un ballon de foot la Terre mettrait : plus de 2 jours pour traverser un stade car il ne se déplacerait à 1,8m par heure.

68 Dates de passage à la périhélie et à l aphélie Périhélie Aphélie janvier 6 juillet janvier 4 juillet janvier 5 juillet janvier 5 juillet janvier 4 juillet janvier 6 juillet

69 Elle va plus vite lorsqu elle est proche du Soleil (2 ème loi de Kepler) Dans l hémisphère nord, la période automne + hiver est plus courte de 7,6j que la période printemps + été.

70 Equinoxe de printemps Solstice d été Aphélie Printemps 92,8j Hiver 89j Périhélie Eté 93,6j Automne 89,8j Solstice d hiver Equinoxe d automne

71 Résultat de ces deux paramètres : Les saisons dans l hémisphère nord sont moins contrastées que dans l hémisphère sud.

72 Autre conséquence de l inclinaison de la terre et de son orbite elliptique. Le soleil est plus ou moins haut sur l horizon tout au long de l année. Le soleil est parfois en retard parfois en avance.

73 Pour le vérifier, on photographie le soleil tous les jours à la même heure avec un appareil photo fixe, on obtient une figure appelée analemme. Pas si simple à réaliser.

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75 Si on mesure le temps avec le soleil, il faut donc tenir compte de ces variations. C est l équation du temps.

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77 Les variations de l orbite terrestre L orientation du Grand axe change. Un tour en ans L excentricité change Variable de 0,005 à 0,058 Périodes principales de ans et ans) Influence sur le climat, contraste hiver/été

78 La Lune

79 Elle tourne autour de la Terre. Son orbite est une ellipse. Apogée km Périgée km Excentricité 0,05490

80 Elle tourne sur elle-même ( sinon elle ne nous présenterait pas toujours la même face) Rotation synchrone : un tour sur elle-même en même temps qu elle effectue un tour autour de la Terre. C est le cas de presque tous les satellites du système solaire.

81 Révolution sidérale: Par rapport aux étoiles lointaines 27, j Révolution draconitique : Entre deux passages au nœud ascendant 27, j Révolution synodique : Par rapport au Soleil (phases de la Lune ou lunaison) 29, j

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83 Elle se déplace d environ 13 par jour par rapport aux étoiles. Elle mettra donc en moyenne 50 minutes de plus d un jour sur l autre pour repasser au méridien.

84 L orbite de la Lune n est pas dans le plan de l écliptique. Dommage. Inclinaison qui varie entre 5 et 5 18' sur une période de 173 jours.

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86 L orbite de la Lune est compliquée La rotation de la ligne des nœuds dans le sens rétrograde avec une période de ans La rotation du grand axe de l'orbite lunaire (ligne des apsides) dans le sens direct avec une période de 8 ans 310 jours environ L'excentricité de l'orbite de la Lune varie entre et sur une période de 412 jours

87 L'évection qui produit un écart sur la vitesse de déplacement de la Lune, lui donnant une avance ou un retard de 2h20 sur sa position avec une période de 31 jours et 19h. Une variation qui produit également une avance ou un retard de la Lune sur son orbite de 72 minutes avec une période de jours. Elle s éloigne de la Terre de 3,8 cm par an.

88 Librations Librations en longitude Dues à la vitesse de révolution de la Lune autour de la Terre qui change ( Loi des aires) alors qu elle tourne sur elle-même toujours à la même vitesse. (7.54 ) Librations en latitude Dues au fait que l axe de rotation de la Lune n est pas perpendiculaire au plan de son orbite. (6.8 )

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90 Librations parallactiques (parallaxe diurne) Dues à la position de l observateur qui change au cours de la nuit ( Environ 1 ) Difficiles à exploiter car lorsque l effet est maximum, la lune est basse sur l horizon. Librations physiques Pas perceptibles à l œil nu, quelques minutes d arc seulement liées aux différences d attraction Terre/Lune

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92 Les éclipses

93 Deux à trois fois pas an, la ligne des nœuds est alignée avec le Soleil.

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96 Il se produit alors une éclipse, de Lune ou de Soleil suivie, une demi lunaison plus tard, par une seconde éclipse. Une éclipse de Lune le 21 décembre 2010, une éclipse de Soleil le 4 janvier 2011

97 On a donc en général 4 éclipses par an, parfois 5. Deux de Soleil, deux de Lune. Deux de Soleil, trois de Lune. Trois de Soleil, deux de Lune.

98 Soleil Lune

99 Mais pas en 2011 Soleil Lune Seulement 7 fois dans le siècle 2011, 2020, 2029, 2047, 2065, 2076 et 2094 Logiciel COELIX APEX

100 L éclipse de Soleil La Lune est placée entre le Soleil et la Terre, elle projette son ombre sur cette dernière. Pour avoir une éclipse totale, il faut que la Lune arrive à un des nœuds de son orbite au moment précis ou ce dernier est aligné avec le Soleil. Si elle est en retard ou en avance, il se produit seulement une éclipse partielle, comme toutes celles de 2011.

101 Par un heureux hasard, le diamètre apparent de la Lune est presque le même que celui du Soleil, ce qui nous permet d avoir des éclipses totales. La durée d une éclipse est variable. Elle peut durer plusieurs heures mais la durée de la totalité n est que de quelques minutes, 7 minutes et 30 secondes au maximum.

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105 Le diamètre apparent de la Lune est variable, de 29,39 à 33,48 De même que celui du Soleil qui varie de 31,6 à 32,7 Il arrive donc que la Lune ne puisse pas complètement masquer le Soleil. Il se produit alors une éclipse annulaire.

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107 Il va falloir s habituer aux éclipses annulaires, car «bientôt», dans environ 600 millions d années il ne se produira plus d éclipses totales, la Lune sera trop loin de la Terre.

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109 Les éclipses de Lune 14j avant ou après une éclipse de Soleil. C est la Lune qui passe dans l ombre de la Terre.

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111 La plus longue totalité : 1 h 47 m 14 s Elle a eut lieu le 31 mai 318

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114 Pourquoi la Lune change de couleur pendant la totalité?

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116 A ne pas confondre avec la lune rousse. La lune rousse est la lunaison après Pâques, une période où, lors de nuits sans nuages, il y a des risques de gelées qui font roussir les jeunes pousses des plantes.

117 Les autres

118 Les planètes externes Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune

119 Rétrogradation A un certain moment de leur orbite, la trajectoire de la planète semblent changer de sens par rapport aux étoiles. Toutes les planètes externes rétrogradent

120 A quel moment? Aux environs de l opposition. Comme elles tournent autour du Soleil moins vite que la Terre, aux environs de l opposition la Terre les dépasse. Saturne rétrograde pendant environ 136j, Jupiter pendant 119j, Mars pendant 75j. L'arc de rétrogradation est d'environ 7 pour Saturne, 10 pour Jupiter, 12 pour Mars.

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122 La plus célèbre celle de Mars.

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125 Jupiter

126 Rétrogradation de Jupiter et Saturne

127 Les Planètes internes Mercure Venus

128 Elles présentent des phases, un peu comme la Lune. Période synodique de Vénus 583,92j Période synodique de Mercure 115,8776j

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131 Elles peuvent également engendrer des phénomènes d éclipse.. Mais depuis la Terre elles ne sont pas totales, on les appelle des transits. Elles se produisent lors des conjonctions inferieures, c est-à-dire quand on a un alignement Soleil-planète- Terre Leur orbite est inclinée par rapport à l écliptique Il n y a donc pas un transit à chaque conjonction inférieure.

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133 Mercure Environ 13 ou 14 transits par siècle. En mai ou en novembre tous les 7, 13 ou 33 ans Prochains transits le 9 Mai 2016 et 11 novembre 2019

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136 Venus Les transits sont plus rares que ceux de Mercure. En juin ou en décembre. Ils suivent une séquence de 243 ans Deux transits séparés de 8 ans 121,5 ans Deux transits séparés de 8 ans 105,5 ans

137 Le prochain transit sera visible partiellement depuis France le 6 juin 2012 au levé du Soleil mais très bas sur l horizon. C est le deuxième de la séquence, le suivant sera pour 2117.

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140 Rétrogradation. Les planètes intérieures présentent également des mouvements de rétrogradation. Ils ne sont pas ou difficilement observables car ils se produisent au moment de la conjonction inferieure. Venus rétrograde pendant 42j, et Mercure pendant 22j. L'arc de rétrogradation est d'environ 16 pour Vénus, et 11 degrés pour Mercure.

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