Chemin du soleil

La trajectoire du soleil , parfois aussi appelée arc de jour , fait référence à la trajectoire quotidienne ( du lever au coucher du soleil ) et saisonnière en forme d'arc que le soleil semble suivre dans le ciel lorsque la Terre tourne et tourne autour du soleil. La trajectoire du soleil affecte la durée de la journée et la quantité de lumière du jour reçue le long d'une certaine latitude pendant une saison donnée.

La position relative du soleil est un facteur majeur dans le gain de chaleur des bâtiments et dans la performance des systèmes d'énergie solaire . Une connaissance précise de la trajectoire du soleil et des conditions climatiques est essentielle pour prendre des décisions économiques concernant la surface des capteurs solaires , l'orientation, l'aménagement paysager, l'ombrage en été et l'utilisation rentable des suiveurs solaires .

Les trajectoires du Soleil à n'importe quelle latitude et à n'importe quelle période de l'année peuvent être déterminées à partir de la géométrie de base . rotation de la Terre s'incline d'environ 23,5 degrés par rapport au plan de l'orbite terrestre autour du Soleil . Comme la Terre tourne autour du Soleil, cela crée une différence de déclinaison de 47° entre les trajectoires du Soleil au solstice , ainsi qu'une différence spécifique à chaque hémisphère entre l'été et l'hiver.

Dans l' hémisphère nord , le soleil d'hiver (novembre, décembre, janvier) se lève au sud-est, traverse le méridien céleste à un angle faible au sud (plus de 43° au-dessus de l'horizon sud sous les tropiques), puis se couche au sud-ouest. Il se trouve du côté sud (équateur) de la maison toute la journée. Une fenêtre verticale orientée au sud (côté équateur) est efficace pour capter l'énergie solaire thermique . À titre de comparaison, le soleil d'hiver dans l'hémisphère sud (mai, juin, juillet) se lève au nord-est, culmine à un angle faible au nord (plus de la moitié de l'horizon sous les tropiques), puis se couche au nord-ouest. Dans ce cas, la fenêtre orientée au nord laisserait entrer beaucoup d'énergie solaire thermique dans la maison.

Dans l'hémisphère nord en été (mai, juin, juillet), le soleil se lève au nord-est, se lève légèrement au sud du point au-dessus de la tête (plus bas au sud à une latitude plus élevée ), puis se couche au nord-ouest, tandis que dans l'hémisphère sud en été (novembre, décembre, janvier), le soleil se lève au sud-est, se lève légèrement au nord du point au-dessus de la tête (plus bas au nord à une latitude plus élevée), puis se couche au sud-ouest. Un simple surplomb côté équateur dépendant de la latitude peut facilement être conçu pour bloquer 100 % du gain solaire direct entrant par les fenêtres verticales orientées vers l'équateur pendant les jours les plus chauds de l'année. Des écrans pare-soleil extérieurs déroulants, des édredons intérieurs translucides ou opaques pour fenêtres, des rideaux, des volets, des treillis mobiles, etc. peuvent être utilisés pour contrôler le transfert de chaleur et le soleil à l'heure, à la journée ou par saison (sans aucune climatisation électrique active).

Partout dans le monde, lors des équinoxes (20/21 mars et 22/23 septembre), à ​​l'exception des pôles, le soleil se lève plein est et se couche plein ouest. Dans l'hémisphère nord, le soleil d'équinoxe culmine dans la moitié sud (environ à mi-hauteur de l'horizon à la latitude moyenne) du ciel, tandis que dans l'hémisphère sud, il culmine dans la moitié nord du ciel. Face à l'équateur, le soleil semble se déplacer de gauche à droite dans l'hémisphère nord et de droite à gauche dans l'hémisphère sud.

Les différences de trajectoire solaire spécifiques à la latitude (et à l'hémisphère) sont essentielles pour une conception efficace des bâtiments solaires passifs . Ce sont des données essentielles pour une conception saisonnière optimale des fenêtres et des surplombs. Les concepteurs solaires doivent connaître les angles précis de trajectoire solaire pour chaque emplacement pour lequel ils conçoivent, et comment ils se comparent aux besoins saisonniers de chauffage et de refroidissement en fonction du lieu.

Aux États-Unis, les chiffres précis de la trajectoire solaire saisonnière en fonction de l'altitude et de l'azimut de l'emplacement sont disponibles auprès de la NOAA : le « côté équateur » d'un bâtiment est situé au sud dans l'hémisphère nord et au nord dans l' hémisphère sud , où l'altitude solaire maximale du solstice d'été se produit le 21 décembre.

À l'équateur, le soleil de midi sera droit au-dessus de notre tête, et donc un bâton vertical ne projettera pas d'ombre aux équinoxes . Sur le tropique du Cancer (environ 23,4°N), un bâton vertical ne projettera pas d'ombre au solstice de juin ( été dans l'hémisphère nord ), et le reste de l'année son ombre de midi pointera vers le pôle Nord. Sur le tropique du Capricorne (environ 23,4°S), un bâton vertical ne projettera pas d'ombre au solstice de décembre ( été dans l'hémisphère sud ), et le reste de l'année son ombre de midi pointera vers le pôle Sud. Au nord du tropique du Cancer, l'ombre de midi pointera toujours vers le nord, et au sud du tropique du Capricorne, l'ombre de midi pointera toujours vers le sud.

Dans les cercles polaires (au nord du cercle arctique et au sud du cercle antarctique ), chaque année connaîtra au moins un jour où le Soleil reste sous l' horizon pendant 24 heures (au solstice d'hiver ) et au moins un jour où le Soleil reste au-dessus de l'horizon pendant 24 heures (au solstice d'été ).

Aux latitudes moyennes , la durée du jour , ainsi que l'altitude et l'azimut solaires , varient d'un jour à l'autre et d'une saison à l'autre. La différence entre la durée d'une longue journée d'été et celle d'une courte journée d'hiver augmente à mesure que l'on s'éloigne de l' équateur .

Les images ci-dessous montrent les perspectives suivantes depuis la Terre, marquant les positions horaires du Soleil les deux jours de solstice. Lorsqu'ils sont connectés, les soleils forment deux arcs de jour , les trajectoires que le Soleil semble suivre sur la sphère céleste dans son mouvement diurne . L'arc le plus long est toujours la trajectoire du solstice d'été tandis que l'arc le plus court est la trajectoire du solstice d'hiver. Les deux arcs sont distants de 46,88° (2 × 23,44°), ce qui indique la différence de déclinaison entre les soleils du solstice.

De plus, certains soleils « fantômes » sont visibles sous l' horizon , jusqu'à 18° de profondeur, période pendant laquelle le crépuscule se produit. Les images peuvent être utilisées aussi bien pour l'hémisphère nord que pour l' hémisphère sud de la Terre . Un observateur théorique est censé se tenir près de l'arbre sur une petite île au milieu de la mer. Les flèches vertes représentent les points cardinaux .

• Dans l' hémisphère nord , le nord est à gauche. Le Soleil se lève à l'est (flèche du fond), culmine au sud (à droite) en se déplaçant vers la droite et se couche à l'ouest (flèche du proche). Les positions de lever et de coucher sont toutes deux déplacées vers le nord en plein été et vers le sud en plein hiver.
• Dans l' hémisphère sud , le sud est à gauche. Le Soleil se lève à l'est (flèche proche), culmine au nord (à droite) en se déplaçant vers la gauche et se couche à l'ouest (flèche éloignée). Les positions de lever et de coucher sont toutes deux déplacées vers le sud en plein été et vers le nord en plein hiver.

Les cas suivants sont représentés :

• Sur la ligne abstraite de l' équateur (latitude 0°), l'altitude maximale du Soleil est grande pendant toute l'année, mais elle ne forme pas un angle droit parfait avec le sol à midi tous les jours. En fait, cela se produit deux jours par an, lors des équinoxes. Les solstices sont les dates où le Soleil reste le plus éloigné du zénith mais aussi dans ces cas-là il est haut dans le ciel, atteignant une altitude de 66,56° soit au nord soit au sud. Tous les jours de l'année, solstices inclus, ont la même durée de 12 heures.
• Arcs de soleil observés depuis une latitude de 20° . Le Soleil culmine à 46,56° d'altitude en hiver et à 93,44° d'altitude en été. Dans ce cas, un angle supérieur à 90° signifie que la culmination a lieu à une altitude de 86,56° dans la direction cardinale opposée. Par exemple, dans l'hémisphère sud, le Soleil reste au nord en hiver, mais peut atteindre le zénith au sud en plein été. Les jours d'été sont plus longs que les jours d'hiver, mais la différence ne dépasse pas environ deux heures et demie. La trajectoire quotidienne du Soleil est raide à l'horizon toute l'année, ce qui entraîne un crépuscule d'environ une heure et 20 minutes seulement le matin et le soir.
• Arcs de soleil observés depuis une latitude de 50°. Au solstice d'hiver, le Soleil ne s'élève pas à plus de 16,56° au-dessus de l'horizon à midi, mais à 63,44° au solstice d'été au-dessus de la même direction d'horizon. La différence de durée du jour entre l'été et l'hiver, d'ici au nord, commence à être frappante - un peu plus de 8 heures au solstice d'hiver, à plus de 16 heures au solstice d'été. Il en va de même pour la différence de direction du lever et du coucher du soleil. À cette latitude, à minuit (vers 1 heure du matin à l'heure légale d'été), le soleil d'été est à 16,56° sous l'horizon, ce qui signifie que le crépuscule astronomique continue toute la nuit. Ce phénomène est connu sous le nom de nuits grises , des nuits où il ne fait pas assez sombre pour que les astronomes puissent faire leurs observations du ciel profond . Au-dessus de 60° de latitude, le Soleil serait encore plus proche de l'horizon, à seulement 6,56° de celui-ci. Le crépuscule civil dure ensuite presque toute la nuit, avec seulement un petit crépuscule nautique autour de minuit local. Au-dessus de 66,56° de latitude, il n'y a pas de coucher de soleil du tout, phénomène appelé soleil de minuit .
• Arcs du jour du solstice vus depuis 70° de latitude. À midi local, le Soleil d'hiver culmine à −3,44° et le Soleil d'été à 43,44°. Autrement dit, pendant l'hiver, le Soleil ne se lève pas au-dessus de l'horizon, c'est la nuit polaire . Il y aura néanmoins un fort crépuscule. À minuit local, le Soleil d'été culmine à 3,44°. Autrement dit, il ne se couche pas ; c'est le jour polaire.
• Arcs de soleil observés depuis l'un ou l'autre pôle (90° de latitude). Au moment des solstices d'été ou d'hiver, le Soleil est respectivement à 23,44° au-dessus ou au-dessous de l'horizon, quelle que soit l'heure de la journée. Lorsque le Soleil est levé (pendant les mois d'été), il tourne autour de tout le ciel (dans le sens des aiguilles d'une montre à partir du pôle Nord et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre à partir du pôle Sud ), semblant rester au même angle par rapport à l'horizon. Par conséquent, le concept de jour ou de nuit n'a aucun sens. L'angle d'élévation change progressivement selon un cycle annuel, le Soleil atteignant son point le plus élevé au solstice d'été et se levant ou se couchant à l'équinoxe, avec de longues périodes de crépuscule durant plusieurs jours après l'équinoxe d'automne et avant l'équinoxe de printemps.

Arcs solaires vus depuis certaines latitudes

• 
  0° de latitude (l' équateur )
• 
  20° de latitude
• 
  50° de latitude
• 
  70° de latitude
• 
  90° de latitude ( l'un ou l'autre pôle )

Une publication de 2021 sur la géométrie solaire calcule d'abord les composantes x, y et z du vecteur solaire, qui est un vecteur unitaire dont la queue est fixée à l'emplacement de l'observateur et la tête est maintenue pointée vers le Soleil, puis utilise les composantes pour calculer l' angle zénithal solaire et l'angle azimutal solaire . Le vecteur solaire calculé par pas d'une heure pour une année complète, de jour comme de nuit, peut être utilisé pour visualiser efficacement la trajectoire du Soleil.

Dans les figures suivantes, l'origine du système de coordonnées est l'emplacement de l'observateur, x positif est l'Est, y positif est le Nord et z positif est vers le haut ; au pôle Nord, y négatif est tangent au méridien principal ; au pôle Sud, y positif est tangent au méridien principal ; z positif est le jour et z négatif est la nuit ; le pas de temps est de 1 heure.

Chaque motif « 8 » dans toutes les figures est un analemme correspondant à une heure spécifique de chaque jour de l'année ; toutes les 24 heures d'un jour spécifique de l'année représentent la trajectoire du soleil de ce jour.

• 
  Rotterdam , Pays-Bas
• 
  Équateur , méridien principal
• 
  pôle Nord
• 
  pôle Sud