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La prise de conscience de l'existence des pôles terrestres, de la particularité de leur situation géographique et des conditions météorologiques extrêmes qui y règnent, requiert l'introduction préalable de la notion de Terre sphérique animée d'un mouvement de rotation autour de l'axe joignant les deux pôles et d'un mouvement de révolution autour du Soleil, ainsi que la détermination de l'obliquité de l'écliptique définie comme l'inclinaison du plan de l'orbite terrestre sur le plan de l'équateur terrestre. Les récits d'expéditions en direction du pôle nord confirmeront ces hypothèses astronomiques formulées pour la première fois en Grèce antique. | |
 Introduction de la notion de Terre sphérique
L'introduction de la notion de Terre sphérique est généralement attribuée à Pythagore. Ainsi donc, elle remonterait au Vème siècle avant notre ère. Auparavant, la Terre revêtait bien souvent un aspect plat ou montagneux. En particulier dans l'Antiquité égyptienne, mésopotamienne et chinoise (voir Quelques cosmogonies antiques). En effet, les anciens égyptiens figuraient la Terre sous les traits du dieu Geb, en position allongée, que le dieu de l'Air Chou maintient éloigné de la déesse du ciel, Nout. Les Sumériens attribuaient à la Terre l'aspect d'une montagne isolée dans un paysage désertique et surmontée d'un dôme métallique figurant le ciel. Puis les Babyloniens formulèrent l'idée d'une Terre entourée d'eau. De même les Chinois imaginaient la Terre entourée de quatre mers peuplées de monstres et autres dragons censés dévorer le Soleil ou la Lune lors d'éclipses. Les premiers Grecs, tels Anaximandre (vers 611 - 547 BC), considéraient que la Terre est un astre plat isolé dans un univers sphérique. Le fait d'attribuer à la Terre une forme sphérique expliquait les raisons pour lesquelles le premier élément observable d'un navire approchant une côte est son mât ; l'ombre projetée de la Terre sur la Lune lors d'éclipses est toujours circulaire ; ou bien encore la hauteur des étoiles au-dessus de l'horizon terrestre est intimement liée à la latitude du site d'observation. S'ensuivirent diverses tentatives de mesure de la circonférence terrestre. Celle d'Eratosthène (276 - 195 BC), qui consistait à mesurer l'ombre projetée du Soleil en deux villes situées sur un même méridien et dont la distance est connue - Alexandrie et Assouan, aboutit à une valeur assez proche de la réalité : 39690 km.
La toute première formulation d'une Terre en mouvement remonte à la fin du Vème siècle avant notre ère. Elle est attribuée au pythagoricien Philolaos de Crotone. Selon lui, la Terre, à l'image des autres astres, est sphérique et animée d'un mouvement de rotation autour d'un feu central qui occupe le milieu du cosmos. La durée de ce mouvement, fixée à 24 heures, fournit l'explication du mouvement diurne des étoiles : leur apparition au-dessus de l'horizon oriental, leur culmination dans le méridien du lieu puis leur disparition à l'ouest. Cette explication diffère de l'idée communément répandue selon laquelle la voûte céleste toute entière est en rotation autour d'une Terre fixe, immuable, occupant le centre de l'Univers. Toutefois, elle ne fut pas reprise ni développée par ses successeurs directs, parmi lesquels Platon (vers 428 - 347 BC), Eudoxe de Cnide (409 - 356 BC) et Aristote (384 - 322 BC), qui distribuèrent chacun des objets célestes sur des sphères centrées sur la Terre. Ainsi, les étoiles furent-elles distribuées sur une sphère animée d'un mouvement de rotation uniforme autour d'un axe fixe passant par le centre de la Terre et le pôle nord céleste dont la hauteur au-dessus de l'horizon local coïncide avec la latitude du site d'observation. Au total, 55 sphères concentriques supportaient les mouvements des corps célestes. Il faudra attendre Héraclide du Pont (388 - 310 BC) puis Aristarque de Samos (vers 310 - 250 BC) pour voir resurgir l'idée d'une Terre en mouvement : en rotation sur elle-même et autour du Soleil, le fameux « feux central » des pythagoriciens, considéré comme fixe, à l'image des autres étoiles.
Dans l'Antiquité, les observations astronomiques étaient rapportées à de grands cercles centrés sur la Terre : le cercle de l'horizon en Egypte ancienne, le cercle de l'écliptique en Mésopotamie, l'équateur céleste en Chine. Pratiquement, l'écliptique ou plan de l'orbite terrestre s'obtient en notant chaque jour les positions de lever et de coucher du Soleil sur l'horizon. L'équateur céleste se situe quant à lui dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la Terre, cette droite joignant le centre de la Terre au pôle Nord céleste. Au IIIème siècle avant notre ère, les plans de l'écliptique et de l'équateur céleste sont donc clairement définis. C'est Eratosthène qui détermina l'inclinaison de l'écliptique sur l'équateur céleste et fixa sa valeur à 23,5°. Il semble qu'il l'ait déduite de la mesure des hauteurs de culmination du Soleil à deux instants particuliers de l'année : les solstices d'été et d'hiver. |  Le Ciel et la Terre, La mesure de la Le système de |
 Inclinaison de l'écliptique sur l'orbite terrestre.
Le déplacement de la Terre sur son orbite autour du Soleil, son mouvement de rotation autour d'un axe joignant les pôles nord et sud, l'existence et le maintien de l'inclinaison entre le cercle de l'écliptique et l'équateur céleste, expliquent la succession des saisons et l'existence de zones climatiques terrestres. En effet, à mesure que la Terre se déplace sur son orbite, l'inclinaison des rayons lumineux en provenance du Soleil par rapport à la verticale d'un lieu varie. Aussi, l'intensité de la lumière reçue par une région terrestre donnée, et donc la température au sol, varie au cours de l'année. Cette variation est d'autant plus grande que l'observateur terrestre se situe en un lieu de latitude élevée : insignifiante à proximité de l'équateur, entre les tropiques du Cancer et du Capricorne, elle est maximale au contraire au niveau des pôles et se traduit par la succession d'un jour et une nuit, d'une durée de six mois chacun. Eratosthène divisa le globe terrestre en cinq zones parallèles : la canicule, bande centrée sur l'équateur, deux calottes polaires, une à chacun des pôles, et deux zones tempérées, comprises entre la canicule et les calottes polaires. A l'équateur, le Soleil décrit une trajectoire perpendiculaire à l'horizon. Au niveau des pôles, cette trajectoire est parallèle à l'horizon. Lorsque le Soleil se situe au-dessus de l'horizon, il illumine cette région. Dans le cas contraire, il fait nuit noire. Eratosthène fournit ainsi une explication rationnelle de l'existence des grandes zones climatiques terrestres imaginées par les pythagoriciens au Vème siècle avant notre ère. Déjà, la décroissance des températures à mesure que l'on monte en latitude, la présence de glaces de mer à proximité du cercle arctique, avaient été constatées par Pythéas, premier grand voyageur scientifique, vers 330 BC.
Les zones climatiques terrestres révèlent l'intensité de lumière reçue en chaque lieu de latitude terrestre.
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