Aidez les astronomes à savoir quand se couche réellement le Soleil

Coucher du Soleil. © Emmanuel Beaudoin
Étonnant : les heures de lever et de coucher du Soleil ne sont pas prédites à mieux que quelques minutes. La responsable de cette imprécision : notre atmosphère. Les chercheurs se tournent vers les sciences participatives pour résoudre ce problème épineux, car il a un impact la navigation en mer, mais aussi sur les observations astronomiques.

Aussi étonnant que cela puisse paraître, dans notre monde ponctué par des horloges atomiques et millimétré par les GPS, nous ne savons pas prévoir précisément les heures de lever et de coucher du Soleil ! Une déviation d’en moyenne 100 secondes est constatée par rapport aux éphémérides, mais elle peut aller jusqu’à 5 minutes dans les cas les plus extrêmes. C’est le constat fait par Teresa Wilson dans le cadre de sa thèse au Michigan Technological University, thèse soutenue en août dernier et encadrée par l’astronome Robert Nemiroff (notamment connu pour la création du site Astronomy Picture of the Day). 

Facétieuse atmosphère

Il existe de multiples sources d’imprécision, comme l’incertitude sur la taille apparente du Soleil, qui n’est connue qu’à 0,2 seconde d’arc près. Mais la principale source d’incertitude est de loin l’atmosphère terrestre. Il serait bien plus simple de calculer les éphémérides de l’astre du jour sur une planète dépourvue d’enveloppe gazeuse, mais nous ne serions pas là en profiter.

Notre atmosphère agit à la manière d’un prisme et dévie la position apparente du Soleil de plusieurs dizaines de minutes d’arc lorsqu’il est à l’horizon. Pour corser le tableau, cette déviation dépend de la pression, de la température, de l’altitude de l’observateur et de sa hauteur par rapport au sol. Là où le problème devient un vrai casse-tête, c’est que les conditions atmosphériques peuvent varier sur la ligne de visée. Pis : la position attendue du Soleil en tenant compte de l’atmosphère peut être faussée par des phénomènes de mirages, difficiles à prévoir.

Est-il encore utile, au XXIe siècle, de savoir à quelle heure le Soleil se couche ?

« Les astronomes ont été les premiers maîtres du temps », souligne Teresa Wilson. Historiquement, la mesure du temps a en effet été la première attente de la société à leur égard. Maîtriser le temps a permis de rythmer l’agriculture et de structurer les sociétés. Plus tard, elle a permis aux explorateurs de naviguer sur les océans. C’est en effet à partir d’observations astronomiques que les marins étaient capables de déterminer leur position sur Terre. Malgré l’avènement des GPS, ils apprennent toujours à faire le point astronomique pour prévenir une panne des outils technologiques.

Cette question peut même devenir stratégique en cas de conflit, car le signal GPS peut être biaisé ou brouillé. Or, l’heure de lever ou de coucher du Soleil est un de jalons possibles pour se repérer sur Terre. « Une erreur de seulement 1 minute sur l’heure du coucher du Soleil peut entraîner une erreur de position allant jusqu’à 15 miles nautiques [27,8 km]», souligne Teresa Wilson.

Mais il y a plus. Prédire les heures de lever et de coucher du Soleil est également intéressant pour les astronomes. « Un modèle de prédiction plus précis que ceux disponibles actuellement leur permettrait de déterminer plus finement leur fenêtre d’observation. C’est particulièrement intéressant sur les télescopes automatiques. Quelques minutes grappillées tous les jours font gagner plusieurs heures sur l’année », souligne Teresa Wilson.

Le Soleil à l’horizon… est déjà couché

En moyenne lorsque le Soleil est à l’horizon, il est admis que son image est déviée de 34’, c’est-à-dire un tout petit peu plus que sa propre taille apparente. Cette valeur déterminée à l’origine par l’observation est connue depuis longtemps. « Un texte de 1733 de Halley comporte un tableau des valeurs de réfraction atmosphérique en fonction de l’élévation. L’auteur de ce tableau n’est pas connu, mais des indications précisent que Newton est à l’origine de cette valeur de 34’ », détaille Teresa Wilson. Donc, lorsque vous voyez le Soleil posé sur l’horizon, il est en réalité déjà couché.

L’atmosphère dévie les rayons solaires. Un effet d'autant plus marqué quand le Soleil est bas sur l'horizon car sa lumière traverse une plus grande épaisseur atmosphérique. Du coup, nous voyons encore l’astre du jour alors qu’il est déjà passé sous l’horizon. © J.-L Dauvergne

Les éphémérides tiennent compte de ce tour joué par l’atmosphère. Le problème réside dans le fait que ces 34’ sont une valeur moyenne. En réalité, des observations répétées depuis l’observatoire du mont Wilson aux États-Unis et à Edmonton, au Canada, montrent que la réfraction peut varier de 32 à 44’. Les valeurs les plus fortes constatées au mont Wilson sont dues à un phénomène de mirage appelé Novaya Zemlya.

Ce nom est celui d’une île arctique située à 76° de latitude depuis laquelle en 1597 une expédition a eu la surprise de voir le Soleil se lever deux semaines plus tôt que prévu ! C’est d’ailleurs dans ces régions maritimes polaires que les effets de mirages sont les plus forts, car les eaux glacées tendent souvent à refroidir les basses couches de l’atmosphère.

Les variations de densité et de température des différentes couches d’air déforment fortement le Soleil couchant, applatissant son disque, provoquant l’apparition du rayon vert (en haut) ou de mirages (lignes du bas). © J.-L Dauvergne

Un autre phénomène joue à ces hautes latitudes : le Soleil descend lentement sous l’horizon, sa trajectoire apparente étant proche de celui-ci (contrairement aux régions tropicales, où cette trajectoire apparente est presque perpendiculaire à l’horizon). Du coup, une erreur sur la position apparente du Soleil se traduit par un écart plus fort entre la réalité et les éphémérides.

Une solution informatique trop complexe

Une fois ces faits établis, Teresa Wilson a examiné un à un quatre modèles de prévision des heures de lever et de coucher du Soleil. « En altitude, la réfraction est en général plus importante qu’estimée, et c’est l’opposé à basse altitude. Force est de constater que les modèles existants sont mal adaptés », explique-t-elle.

Pour aller plus loin, la chercheuse a entrepris de développer un programme plus raffiné tenant compte des écarts de température et des conditions météo en fonction de la latitude, nommé URSA (Ultimate Rise/Set Algorithme). Contre toute attente, le résultat est décevant. « Je me suis rendu compte qu’accroître la complexité de l’algorithme et inclure plus de données météo n’améliore pas significativement l’écart entre l’heure calculée et l’heure effective du coucher du Soleil. Les apports d’URSA par rapport aux autres modèles ont une influence de l’ordre de 10 secondes, alors que l’on cherche à réduire une incertitude qui est en moyenne de 100 secondes », détaille Teresa Wilson.

Les sciences participatives à la rescousse

Les phénomènes atmosphériques à prendre en compte sont donc plus complexes qu’attendu. L’une des limites identifiées tient aux observations utilisées pour réaliser les modèles, qui se bornent principalement à deux sites : Edmonton et le mont Wilson. Les données pour chacun d’eux sont nombreuses, mais elles sont très spécifiques avec un horizon terrestre dans un cas et un site d’altitude dans l’autre. Pis, les levers de Soleil ne sont pas observables depuis le mont Wilson.

« Pour obtenir un plus grand jeu de données, nous avons publié l’application Sunrise & Sunset Observer (SSO) sur les plateformes Apple et Android. L’observation est réalisée avec la caméra vidéo du smartphone et est envoyée ensuite vers un serveur », explique Teresa Wilson.

Teresa Wilson propose une appli de science participative pour déterminer précisément le choucher du Soleil. © Michigan Technological Univ.

De premiers tests tendent à montrer que cette méthode d’observation plus objective que l’œil nu tend à réduire de 1 minute environ la différence entre l’observation et la prévision. « Un plus grand nombre de mesures nous permettront de mieux comprendre les variations saisonnières de la réfraction atmosphérique », souligne la chercheuse. Ces observations pourront en effet être facilement croisées avec les données météo.

Dans l’application SSO, la seule chose que l’observateur doit renseigner est sa hauteur par rapport au sol (voir captue écran ci-dessous), car c’est un paramètre souvent négligé à tort. Il pourrait expliquer une partie des écarts constatés entre prévision et observation.

L’appli Sunset & Sunset Observer est disponible pour les smartphones Android.

Teresa Wilson entrevoit d’autres pistes d’amélioration de son programme de prévision URSA, en tenant compte par exemple des variations de taille apparente du Soleil au cours de l’année. Il permettra probablement à terme d’obtenir des prévisions avec une précision inférieure à la minute. « Newton est à l’origine de la physique moderne, mais il est temps de se tenir sur ses épaules pour dépasser cette valeur de réfraction de 34’ communément admise », conclut Teresa Wilson.

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