Le 27 juillet dernier, certains d’entre vous ont eu la chance d’admirer une éclipse de Lune! La question est la suivante: « Pourquoi diable la Lune était-elle rouge alors qu’elle était précisément censée être dans l’ombre de la Terre? Elle devait être plongée dans le noir et donc invisible, non? »

Pour répondre à cette question, il nous faut, comme d’habitude, mettre l’une ou l’autre petite notion au point.

1. La couleur de la lumière émise par le soleil

Le soleil émet une couleur blanche constituée de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel comme le montre la Fig.1.

Dans cette image, on envoie une lumière blanche sur un prisme qui a la faculté de séparer la lumière en ses différentes composantes. On peut voir que, à la sortie du prisme, la direction de propagation de la lumière change en fonction de la couleur de la lumière (les rayons rouges ne suivent pas le même chemin que les rayons violets). Les physiciens disent que la lumière se réfracte en traversant le prisme. Retenons donc: réfraction = changement de direction!
Par ailleurs, ces mêmes physiciens, repèrent les couleurs par leur longueur d’onde (notée \( \lambda \), lire « lambda »). Il s’agit simplement d’une valeur chiffrée qui permet de repérer une couleur parmi l’immensité de possibilités comprises entre le rouge et le violet. Le rouge possède la plus grande longueur d’onde et le violet, la plus petite.

2. Pourquoi la lune est-elle brillante?

En réalité, la Lune, c’est juste un morceau de caillou, vraisemblablement un morceau de la Terre qui, il y a longtemps, aurait été heurtée par un objet céleste qui en aurait décroché un morceau. Ce morceau s’est trouvé piégé dans l’attraction gravitationnelle de sa Terre-mère et s’est donc mis en orbite autour d’elle. Donc, la lune n’est pas lumineuse! Par contre, l’étoile la plus proche de nous (enfin, proche … à 150 millions de km tout de même), c’est le soleil et, ce soleil, éclaire plus ou moins fortement la lune qui réfléchit cette lumière comme un miroir. Cette lumière revient donc vers la Terre comme le montre la Fig.2. C’est pour cela que la lune nous parait lumineuse! Donc: la lune tourne autour de la Terre (en un peu moins de 28 jours: 27,32 exactement) et l’ensemble Terre-Lune tourne autour du soleil (en un peu plus d’un an: 365,26 jours exactement) qui joue le rôle de projecteur pour éclairer notre satellite!

3. Quand y a-t-il une éclipse de lune?

Quand la lune traverse l’ombre portée par le soleil à l’arrière de la Terre. Un petit schéma s’impose … plusieurs même!

Lorsqu’il y a alignement Soleil-Terre-Lune, on parle de zones d’ombre (UMBRA) et de pénombre (PENUMBRA) comme représenté sur la Fig.3. Comment comprendre cela?

Le Soleil est une boule lumineuse qui envoie de la lumière dans toutes les directions. Considérons uniquement dans un premier temps, les rayons issus de la partie supérieure de notre étoile en direction de la Terre. La Fig.4 montre que ces rayons atteignent la zone de pénombre supérieure, mais ne peuvent éclairer, ni la zone d’ombre, ni la zone de pénombre inférieure.

Fig.4: Zones éclairées par les rayons solaires issus de sa partie supérieure.

Regardons maintenant les rayons émis par la partie inférieure du Soleil en direction de la Terre. La Fig.5 montre que ces rayons atteignent la zone de pénombre inférieure, mais ne peuvent éclairer, ni la zone d’ombre, ni la zone de pénombre supérieure.

Fig.5: Zones éclairées par les rayons solaires issus de sa partie inférieure.

Superposons les deux figures, on voit aisément (Fig.6) que la zone d’ombre porte bien son nom puisqu’ aucun rayon du Soleil n’y parvient directement , et que les zones de pénombre (2 et 2′) ne reçoivent qu’une partie des rayons lumineux, ce qui explique que ces deux zones soient faiblement éclairées.

Fig.6: Zones éclairées par les rayons solaires issus de ses parties inférieure et supérieure.

Et donc, si la Lune est dans la zone d’ombre, elle n’est absolument pas éclairée! Et pourquoi elle est sanguine alors?

4. Pourquoi voit-on une lune sanguine au cours d’une éclipse?

C’est lié à notre atmosphère, cette couche d’air de plusieurs centaines de kilomètres au-dessus de nos têtes! En tout début d’article, on a vu que la lumière blanche du soleil contient toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Quand cette lumière atteint notre atmosphère, elle y subit deux phénomènes: la diffusion et la réfraction.

1. La diffusion

En rencontrant les molécules de notre atmosphère, la lumière subit une diffusion dite de Rayleigh (càd une dispersion de la lumière dans toutes les directions) qui est d’autant plus forte que la longueur d’onde est faible. Dès lors, c’est la lumière bleue-violette qui subit ce phénomène de la façon la plus forte (Fig.7).

Fig.7: Diffusion de Rayleigh dans l’atmosphère.

Quand vous regardez le ciel, vous avez donc une lumière blanche dépouillée de sa composante bleue-violette qui vous parvient directement tandis que cette composante manquante éclaire indirectement le ciel qui vous parait donc bleu. (S’il y a des nuages, les particules rencontrées sont plus grosses, ce sont des gouttelettes d’eau, et c’est la diffusion de Mie qui intervient. Dans ce cas, toutes les longueurs d’onde sont diffusées et le nuage nous apparait blanc). Remarquez donc que le ciel n’est pas bleu, mais bien noir, c’est notre atmosphère qui colore le ciel de bleu … elle n’est pas belle notre planète?

2. La réfraction

Si vous avez bien suivi, vous comprenez donc que, plus la couche d’air traversée est grande et plus la lumière blanche perd ses composantes de petites longueurs d’onde pour virer au rouge (c’est d’ailleurs ce qui explique la teinte rouge qui colore le ciel au lever et au coucher du soleil … elle n’est pas belle notre planète? Oui je sais, je l’ai déjà dit…). Donc, en observant la Fig.8, on voit que la lumière qui traverse la basse atmosphère (au plus près du sol) est donc celle qui a perdu le plus de composantes de petites longueurs d’onde puisque l’épaisseur d’air traversée y est maximale. Cette lumière ressort donc de l’atmosphère en étant rouge car essentiellement constituée de grandes longueurs d’onde. Or, il se fait que, justement, ce sont les plus grandes longueurs d’onde qui sont fortement réfractées (ou déviées, vous vous souvenez?) quand elles changent de milieu, et donc cette lumière se courbe et atteint une zone qui lui serait autrement inaccessible … la Lune! La suite de l’histoire, vous la connaissez, la Lune réfléchit cette lumière rouge qui revient vers nos yeux et TADAM! La Lune nous parait rouge!

Fig.8: Réfraction de la lumière solaire dans l’atmosphère.

Donc, la lumière rouge est doublement gagnante: premièrement, elle subit peu de diffusion et peut donc traverser de longues couches d’atmosphère et, deuxièmement, elle subit beaucoup de réfraction et peut donc incurver sa trajectoire au point d’aller voir ce qui se passe derrière la Terre!

Bon, là, on a déjà pigé l’essentiel, mais pour les plus téméraires, il reste un détail à ne pas négliger. C’est une histoire liée au plan de l’écliptique. Je promets, après ça, je clôture mon article!

5. Le plan de l’écliptique, c’est quoi ça?

Vous êtes toujours là? Bon, il se fait que la Lune tourne autour de la Terre dans un plan qui n’est pas le même que celui qu’emprunte la Terre autour du Soleil. Ces deux plans sont inclinés d’un peu plus de 5° l’un par rapport à l’autre (Fig.9). Vue depuis le Soleil (dans un repère héliocentrique), la trajectoire de la Terre autour du Soleil (tracée en blanc) s’appelle l’écliptique.

Fig.9: Inclinaison de l’orbite de la Lune par rapport au plan de l’écliptique.

Remarquez également sur cette figure les deux points particuliers appelés ‘Noeuds’, qui sont définis par l’intersection entre l’orbite de la Lune (tracée en noir) et le plan de l’écliptique (horizontal sur cette figure). Les nœuds sont notés \(N_{1} \) et \(N_{2} \).

Regardons maintenant la Fig.10 dans laquelle les mouvements célestes sont considérés dans un repère géocentrique (càd centrés sur la Terre). On a représenté la voûte céleste en bleu et on peut donc tracer les trajectoires apparentes de la Lune et du Soleil sur cette voûte. On est bien d’accord que, depuis la Terre, on a l’impression que le Soleil décrit une courbe exactement comme la Lune, toutes deux sur la voûte céleste. En réalité, c’est juste une impression, la Lune et le Soleil ne suivent évidemment pas des trajectoires de même rayon et le Soleil ne tourne pas pour de vrai autour de la Terre.

Fig.10: Zone d’éclipse possible.

Une éclipse est possible lorsque le soleil, la Lune et la Terre sont alignés, et cela n’est possible qu’au voisinage des nœuds. En période d’alignement, au moment de la pleine Lune (la lune est au voisinage de \(N_{1} \)), une éclipse de Lune est possible puisque la Terre se trouve entre le Soleil et la Lune. Le Soleil projette alors l’ombre de la Terre sur la Lune (en vert sur la Fig.10). A contrario, s’il y a alignement au moment de la nouvelle Lune (la lune est au voisinage de \(N_{2} \)), alors la Lune se trouve entre le Soleil et la Terre (Fig.11). Le Soleil projette donc l’ombre de la Lune sur la Terre (ou la Lune obscurcit le soleil regardé depuis la Terre). Il s’agit alors d’une éclipse du Soleil, mais c’est une autre histoire.

Fig.11: Eclipse du Soleil.

Revenons aux éclipses de Lune, il existe toute une série de configurations possibles dans lesquelles les 3 astres ne sont pas alignés à cause de l’inclinaison de la trajectoire de la Lune par rapport au plan de l’écliptique. Dans ce cas, soit l’ombre de la Terre est projetée en-dessous de la Lune (Fig. 12 (a)), soit au-dessus de la Lune (Fig. 12 (b)).

Fig.12: Zones d’éclipses impossibles.

Ceci explique pourquoi il n’y a qu’une ou deux éclipses de Lune par an, alors que si la Lune appartenait au plan de l’écliptique, il y en aurait à chaque fois que la Lune passe derrière la Terre en s’alignant avec le Soleil!

Si vous voulez en savoir plus sur ce phénomène, il existe une multitude d’articles sur le Net dont une sélection est reprise dans la bibliographie.
See you soon!

Bibliographie

[1] Les éclipses sur Futura-Sciences, disponible ici: Les éclipses
[2] Le manuel des éclipses. EDP Sciences, 2005. Les éclipses de lune
[4] Eclipse lunaire sur Wikipédia. Eclipse lunaire