Cours C3 : Les Éclipses

I - CIRCONSTANCES D'ECLIPSES

I - 1 -

Visualisation du mécanisme des éclipses de Lune ou de Soleil par une animation de 9 minutes faisant partie du film : "Vingt juin 73, éclipse totale" (CNDP, Ref : 002 G2319)

Le diamètre angulaire du Soleil varie entre 0,524° et 0,542° selon la distance Terre-Soleil.

Celui de la Lune varie entre 0,490° et 0,558°.

Pourquoi a-t-on chaque année au moins 4 éclipses (2 de Lune et 2 de Soleil) ?

Calcul des conditions angulaires d'éclipses de Lune et de Soleil : position de la Lune par rapport aux nœuds.

Pourquoi y a-t-il 173 jours entre deux éclipses et non pas une demi-année 182 jours ?

Pour le détail des calculs on pourra se reporter à :

Éléments d'Astronomie de Position par Maurice Danloux-Dumesnils
ed. Librairie Scientifique et Technique Albert Blanchard.

Les éclipses par Danjon
Collection Que-sais-je ? n° 940, Presse Universitaire de France.

I - 2 -

Le déplacement de l'ombre sur la Terre, dans le cas d'une éclipse de Soleil, résulte du :

mouvement de la Lune sur son orbite

mouvement de rotation de la Terre sur elle-même ; on négligera le mouvement de la Terre sur son orbite.

Par exemple pour un lieu situé à l'équateur, voir le détail du calcul dans la référence citée ci-dessus (Maurice Danloux-Dumesnils).

La vitesse de la Lune sur son orbite, par rapport à un observateur terrestre est de 950 m/s (3400 km/h) et l'ombre se déplace sur la Terre d'Ouest en Est (conséquence du mouvement apparent de la Lune pour un observateur terrestre).

La Terre tourne sur elle-même aussi d'Ouest en est ; la vitesse équatoriale de ce mouvement est de 1670 km/h. La vitesse relative de ces mouvements est de 1730 km/h d'Ouest en Est à l'équateur.

Le diamètre du cône d'ombre à l'équateur est d'environ 270 km, ce qui donne une durée pour une éclipse équatoriale de 7 minutes environ.

Remarque : le cône d'ombre de la Lune atteint tout juste la surface de la Terre.

On peut faire le calcul très facilement du diamètre du cône à partir des distances Terre-Lune, Terre-Soleil, du rayon de la Lune et du rayon de Soleil.

II - LES ECLIPSES ET LE DEVELOPPEMENT DE L'ASTRONOMIE

Il est important de souligner le rôle des éclipses dans le développement de l'astronomie.

Il est parfois difficile de faire la part entre ce qui est "rapporté" comme étant attribué "à" et la vraie archive historique.

La plus ancienne éclipse mentionnée de façon certaine (trace archéologique) est celle de Soleil du 31 juillet 1062 avant J.C., observée à Babylone.

II - 1 - Aristote 384 - 322 avant J.C.

Aristote montre que la forme, toujours circulaire, du cône d'ombre de la Terre lors des éclipses de Lune est une preuve de la sphéricité de la Terre.

II - 2 - Aristarque de Samos 310 - 230 avant J.C.

Aristarque de Samos observe que les éclipses de Lune les plus longues durent 2 heures ; comme la Lune se déplace de son diamètre en une heure, il en déduit que le diamètre de la Terre vaut 3 fois le diamètre de la Lune.

II - 3 - Hipparque 162 - 126 avant J.C.

Les travaux d'Hipparque sont connus, partiellement, par les traductions arabes de l'Almageste de Ptolémée.

Hipparque observe de nombreuses éclipses, surtout de Lune, et il compare ses observations aux éclipses anciennes dont il a connaissance.

En utilisant l'estimation de la distance Terre-Soleil faite par Aristarque de Samos, Hipparque montre que l'ombre portée par la Terre n'est pas un cylindre mais un cône d'ouverture 0,5°. Il en déduit une nouvelle détermination du diamètre lunaire : celui-ci vaut 0,27 fois celui de la Terre. Ayant estimé le diamètre angulaire de la Lune à 0,5°, il calcule la distance Terre-Lune, et trouve que celle-ci vaut 60 fois le rayon de la Terre.

On pourra se reporter pour les déterminations de II - 1 et II - 2 à :

Méthodes de l'Astrophysique par L. Gouguenheim
eds Hachette Collection Liaisons Scientifiques

Hipparque observe une éclipse de Lune alors que le Soleil est quasiment au point gamma.et remarque que la position relative de la Lune parmi les étoiles s'est déplacée de 2 degrés par rapport à une éclipse analogue (le Soleil étant au point gamma) observée 150 ans plus tôt par Timocharis. A partir de ce déplacement, Hipparque découvrit la précession des équinoxes.

Les éclipses de Lune étant observées simultanément par les habitants de tout un hémisphère terrestre, Hipparque suggère d'utiliser cette simultanéité pour déterminer les longitudes sur Terre. La différence en longitude entre deux lieux est égale à la différence entre les heures locales (heures solaires) au moment où se produit l'éclipse. La difficulté de cette détermination se trouve dans la mesure de l'heure la nuit et de la précision de l'observation du début ou la fin de l'éclipse.

Grâce au Saros (retour des éclipses de Lune et de Soleil avec une périodicité de 18 ans et 10 jours s'il y a 5 années bissextiles dans la période ou 11 jours s'il y a 4 années bissextiles) Hipparque a prédit les éclipses de Lune à venir de façon à pouvoir organiser des mesures de longitude. Les déterminations d'Hipparque étaient précises à une ou deux heures près.

II - 4 - Parallaxe de la Lune

L'effet parallactique sur l'observation de la Lune était connu des grecs. Comme preuve, on cite l'observation de l'éclipse de Soleil du 14 mars 189 avant J.C. qui fut totale pour un observateur de l'Hellespont et partielle (aux trois quarts) pour un observateur d'Alexandrie. Le Soleil était supposé ne pas présenter d'effet parallactique étant donné sa distance.

III - DETERMINATION DES LONGITUDES

Le principe de la détermination des longitudes développé par Hipparque a été appliqué par Ptolémée qui discute quels instants de l'éclipse de Lune observer. Ptolémée applique cette méthode à la détermination de la différence en longitude entre Arbela et Carthage en utilisant des archives : durant la bataille à Arbela en 330 avant J.C. il y eut une éclipse de Lune. La différence de longitude déterminée par Ptolémée était de 3 heures (la valeur exacte est de 2h15min).

Pour Ptolémée le méridien d'origine était situé aux îles Fortunées (îles Canaries) alors que celui utilisé par Hipparque était placé à Rhodes.

Cette méthode de la détermination des longitudes fut utilisée pendant de nombreux siècles.

Pour mémoire on mentionnera l'éclipse de Lune observée par Christophe Colomb le 29 février 1504 pour effrayer les indigènes et obtenir ainsi des vivres. Cette éclipse est mentionnée dans l'almanach "Regiomontanus" utilisé par C. Colomb durant son voyage.

Une éclipse de Lune fut utilisée par les Conquistadores pour déterminer la longitude de Casa Real (Mexico) en 1584.

L'idée d'Hipparque d'utiliser un phénomène astronomique visible par une grande partie de la Terre pour déterminer la longitude d'un lieu a été développée avec l'occultation de la planète Mars par la Lune.

Ainsi Amerigo Vespucci utilisa une telle occultation visible le 23 mars 1499 pour calculer la longitude alors qu'il était en mer. Cependant cette méthode ne donne pas de bons résultats si on ne tient pas compte de la parallaxe de Mars pour des observateurs terrestres situés en des lieux différents.

En 1610 Galilée découvre 4 satellites de Jupiter. Les périodes de leur mouvement orbital étant courtes, de 1,75 à 17 jours, il suggère d'utiliser ces occultations pour déterminer la longitude ; Pour cela Galilée établit des Tables de prédiction de ces éclipses ;

Pour en savoir plus sur les éclipses des satellites de Jupiter se reporter à

L. Bottinnelli, A. Brahic, L. Gouguenheim, J. Ripert et J. Sert.
La Terre et l’Univers
Collection Synapses, ed. Hachette

L'observation de ces éclipses a conduit Roëmer à déterminer la vitesse de la lumière.

On pourra se reporter au Compte-Rendu de l'Université d'Été de 1990 page 214.

IV - TRANSIT PLANETAIRE ET DETERMINATION DE LA DISTANCE TERRE-SOLEIL

Une éclipse de Soleil est un phénomène d'occultation. Un transit planétaire devant le Soleil est aussi une occultation.

L'observation d'un transit planétaire alors que la planète est en conjonction inférieure permet la détermination de la distance Terre-Planète puis Terre-Soleil si le transit est observé de deux lieux différents sur Terre. C'est l'effet parallactique qui permet la mesure de la distance à la planète.

Pour une description de ce phénomène et de la mesure de la distance Terre-Soleil on pourra se reporter à : Compte-Rendu de l'Université d'été de 1990 page 220.

V - ECLIPSES SOLAIRES ET PHYSIQUE SOLAIRE

Nous mentionnons ci-dessous les éclipses du 19ème siècle et du début du 20ème siècle qui ont contribué au développement et progrès de l'astrophysique solaire.

L'éclipse totale du 18 juillet 1860 a été observée par Warren de La Rue et Angelo Secchi ; Les premiers daguerrotypes d'éclipses furent alors obtenus.

Ces photographies ont permis de montrer que les protubérances solaires sont des phénomènes réels et non pas des illusions d'optiques. Comme les protubérances disparaissent quand la Lune se déplace devant le Soleil, ces astronomes en conclurent que les protubérances appartiennent au Soleil.

L'éclipse totale du 18 août 1868 fut observée par J. Janssen. Après avoir observé les protubérances au moment de l'éclipse, Janssen entreprit de développer une méthode pour observer les protubérances en dehors des périodes d'éclipses, ce qui n'était pas encore le cas. Il utilisa pour cela un spectroscope centré sur la longueur d'onde de la raie de l'hydrogène H alpha et il put ainsi en déplaçant son spectroscope sur le bord solaire où il avait détecté une protubérance au moment de l'éclipse l'observer à nouveau, la dessiner et suivre ses variations au cours du temps.

Dans le spectre de la couronne solaire pris au moment de l'éclipse totale du 7 août 1869 une raie intense en émission fut observée. Est-ce un nouvel élément : le coronium ?

Le 22 décembre 1870 Young observe que le spectre photosphérique devient brusquement un spectre en émission deux secondes seulement avant que l'éclipse ne soit totale. Cette observation est décrite sous le nom de "spectre éclair".

L'éclipse totale du 29 mai 1919 permet à Eddington de confirmer par l'expérience la théorie de la relativité récemment publiée par A. Einstein.

On pourra se reporter ici

VI CONCLUSION

Le phénomène des éclipses étendu à celui des occultations est présenté dans la vidéo

Phases et éclipses : de la Lune aux étoiles
Collection Bâtisciences - CNDP
Ref. E 9805 V02

Cette vidéo est accompagnée d'un document où sont présentées des activités pratiques à réaliser à partir des séquences présentées