Pourquoi la Lune change de phase et comment se produisent les éclipses

Eclipses et phases de la Lune — Les **phases de la Lune** se succèdent au cours d’un cycle de 29,5 jours, appelé « lunaison ». Les 8 phases de la Lune sont : la pleine lune, le premier croissant de lune, le premier quartier, la lune gibbeuse, la pleine lune, la lune gibbeuse, le dernier quartier et le dernier croissant de lune. L'éclipse de Soleil a lieu à la nouvelle Lune, l'éclipse de Lune a lieu à la pleine Lune.
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Résumé scientifique

L'article d'Astronoo présente les mécanismes des éclipses et des phases de la Lune. Il explique que ces phénomènes résultent de l'alignement du Soleil, de la Terre et de la Lune, appelé syzygie. Les éclipses ne se produisent que lorsque la Lune est proche de la ligne des nœuds, intersection de l'orbite lunaire et de l'écliptique. L'article détaille la coïncidence remarquable des tailles apparentes du Soleil et de la Lune, la différence entre les périodes sidérale et synodique, l'inclinaison de 5,145° du plan orbital lunaire et la précession des nœuds sur 18,61 ans. Il aborde également les conditions d'observation des éclipses totales, partielles et annulaires.

Pourquoi la Lune présente-t-elle des phases et comment se produisent les éclipses ?

Cet article est consacré aux éclipses et aux phases de la Lune. Pourquoi la Lune nous montre-t-elle un visage changeant au fil des jours, et pourquoi le Soleil disparaît-il parfois derrière elle ? La réponse réside dans la mécanique céleste qui régit les mouvements du Soleil, de la Terre et de la Lune. La Lune ne produit pas sa propre lumière : elle réfléchit celle du Soleil. La partie éclairée que nous voyons dépend de la position relative de ces trois corps. Ainsi, la Lune passe par huit phases principales, de la nouvelle Lune à la pleine Lune, en 29,5 jours. Les éclipses, quant à elles, se produisent lors des syzygies, lorsque les trois astres sont presque alignés. Mais cet alignement n'est pas parfait à chaque lunaison, car l'orbite lunaire est inclinée d'environ 5,145° par rapport à l'écliptique. Les éclipses ne surviennent donc que près des nœuds de l'orbite. L'article explore également la fascinante coïncidence qui rend les éclipses totales de Soleil possibles : le Soleil est environ 400 fois plus grand que la Lune, mais aussi 400 fois plus éloigné, ce qui rend leurs tailles apparentes presque identiques. Enfin, il décrit l'évolution future de ces phénomènes, la Lune s'éloignant de la Terre de 4 cm par an.

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Les éclipses de Lune

Qu'est-ce qu'une éclipse ?

Une éclipse nécessite un alignement de trois corps célestes, le Soleil, la Terre et la Lune.

Les éclipses de Lune sont des occultations de la Lune par l'ombre de la Terre alors que les éclipses de Soleil sont des occultations du Soleil par l'ombre de la Lune. Ces concordances célestes sont fréquemment observées, au moins une de chaque (éclipse de Lune et éclipse de Soleil) tous les 6 mois.

Les phases de la Lune

La Lune nous apparaît sous différentes phases, c'est-à-dire avec différents éclairages de la sphère lunaire. Cela est dû à la rotation de la Lune autour de la Terre et aux positions relatives en mouvement permanent du Soleil, de la Terre et de la Lune. Comme la Lune ne fait que réfléchir la lumière du Soleil, la seule partie visible de la Lune est celle qui est orientée à la fois vers la Terre et vers le Soleil.

Les huit phases de la Lune au cours du cycle lunaire
Phase	Jour du cycle	Illumination	Partie visible (hémisphère Nord)	Lever (approx.)	Observation optimale
Nouvelle Lune	0	0 %	Invisible (face non éclairée tournée vers la Terre)	6 h	Non observable (sauf éclipse de Soleil)
Premier croissant	2 à 6	1 à 49 %	Fin croissant à droite	9 h	Juste après le coucher du Soleil, à l'ouest
Premier quartier	7	50 %	Moitié droite éclairée	Midi	En soirée, culminant au sud
Lune gibbeuse croissante	8 à 13	51 à 99 %	Plus des trois quarts éclairés (à droite)	15 h	En fin d'après-midi et une partie de la nuit
Pleine Lune	14 à 15	100 %	Disque entièrement éclairé	18 h	Toute la nuit (sauf éclipse de Lune)
Lune gibbeuse décroissante	16 à 21	99 à 51 %	Plus des trois quarts éclairés (à gauche)	21 h	En seconde partie de nuit et le matin
Dernier quartier	22	50 %	Moitié gauche éclairée	Minuit	En fin de nuit et le matin, au sud
Dernier croissant	23 à 28	49 à 1 %	Fin croissant à gauche	3 h	Avant le lever du Soleil, à l'est

Périodicité lunaire et syzygies

La périodicité des phases de la Lune est de 29,5 jours, soit une lunaison ou mois lunaire synodique. Il ne faut pas confondre cette durée avec le mois lunaire sidéral (27,32 jours), qui correspond au retour de la Lune à la même position par rapport aux étoiles, ni avec le mois anomalistique (27,55 jours), qui mesure le retour de la Lune à son périgée. Ces trois périodes diffèrent parce que la Terre avance sur son orbite pendant que la Lune tourne autour d'elle, et parce que l'orbite lunaire elle-même est elliptique et animée d'une précession.

Les éclipses ont lieu aux syzygies, c'est-à-dire au moment où il y a un quasi alignement entre le Soleil, la Terre et la Lune. On distingue deux configurations :

la nouvelle Lune, lorsque la Lune se trouve entre le Soleil et la Terre : le côté éclairé est tourné vers le Soleil, et la face visible depuis la Terre est dans l'ombre ;
la pleine Lune, lorsque la Terre se trouve entre le Soleil et la Lune : la face visible de la Lune est alors entièrement éclairée.

L'éclipse de Soleil a donc lieu à la nouvelle Lune, et l'éclipse de Lune a lieu à la pleine Lune. Toutefois, un alignement parfait ne suffit pas : encore faut-il que la Lune soit suffisamment proche de la ligne des nœuds, c'est-à-dire de l'intersection entre le plan de son orbite et le plan de l'écliptique. En dehors de ces fenêtres, la Lune passe au-dessus ou en dessous du Soleil (à la nouvelle Lune) ou de l'ombre de la Terre (à la pleine Lune), sans qu'aucune éclipse ne se produise.

Les syzygies ne sont donc pas systématiquement écliptiques. Comme la Lune revient à la même position relative par rapport au Soleil tous les 29,5 jours, mais que la ligne des nœuds se déplace lentement, les éclipses se regroupent en saisons d'éclipses d'environ 34,5 jours, séparées par des intervalles de cinq à six mois. Entre deux éclipses successives de même type (Soleil ou Lune), il s'écoule en général une lunaison, soit environ 29,5 jours, ce qui explique que les éclipses de Soleil et de Lune alternent souvent à quinze jours d'intervalle.

Une heureuse coïncidence rend l'éclipse de soleil spectaculaire

La coïncidence des tailles apparentes

Le rapport entre le diamètre du Soleil (1 400 000 km) et le diamètre de la Lune (3 500 km) est de ≈1/400ième, le rapport entre la distance du Soleil (149 600 000 km) et la distance de la Lune (384 000 km) est de ≈1/400ième. Le Soleil étant 400 fois plus gros et 400 fois plus loin que la Lune, leurs tailles apparentes dans le ciel sont quasiment identiques (≈0.5° ou ≈30 minutes d'angle). En réalité, la taille apparente de la Lune varie entre 29.3' et 33.5' et la taille apparente du Soleil varie entre 31.5' et 32.5'.

Conséquences et évolution future

Cette coïncidence temporelle est à la base des interprétations mythologiques de certaines civilisations puisque la Lune parfois, masque parfaitement le Soleil.

Aujourd’hui, une éclipse totale de Soleil suscite la passion des foules. Certains amateurs sont appelés « chasseurs d'éclipses », ils traquent les éclipses tout autour du monde. Cependant cette coïncidence va disparaitre, dans des centaines de millions d'années il n'y aura plus que des éclipses annulaires car la Lune s'éloigne de la Terre de 4 cm par an.

Périodes de révolution de la Lune

Période sidérale

La période de révolution sidérale de la Lune est mesurée par rapport aux étoiles. C'est le temps nécessaire pour que la Lune revienne à la même position par rapport à une étoile, vue de la Terre. Cette période de révolution sidérale est de 27,321582 jours, soit environ 27 jours 7 heures 43 minutes.

À titre de comparaison, la période sidérale de la Terre, mesurée par rapport aux étoiles, est d'environ 23H 56mn, soit 0.99726968 jour. Elle est plus courte que la période synodique (rapport au Soleil) d'environ 4 minutes, car en 24 H la Terre a avancé sur son orbite autour du Soleil de 1/365ème, ce qui correspond à environ 4 minutes.

Période synodique

La période de révolution synodique de la Lune est mesurée par rapport au Soleil. C'est le temps nécessaire pour que la Lune revienne à la même position par rapport au Soleil, vue de la Terre. Cette période est de 29,530589 jours, soit environ 29 jours 12 heures 44 minutes.

Elle est plus longue que la période sidérale parce que, durant un mois, la Terre a avancé sur son orbite autour du Soleil : il faut donc environ 2 jours de plus à la Lune pour rattraper la même position par rapport au Soleil.

C'est cette période synodique de 29,5 jours qui rythme les phases de la Lune et qui explique pourquoi les éclipses de Soleil et les éclipses de Lune se succèdent avec un intervalle d'environ 15 jours.

Le plan de l'écliptique et les nœuds

Orbite de la Lune par rapport à l'écliptique — **Inclinaison de l'orbite lunaire et ligne des nœuds** : le plan de l'orbite de la Lune est incliné de 5,1° par rapport au plan de l'écliptique (plan orbital de la Terre autour du Soleil). Les éclipses ne peuvent se produire que lorsque la Lune traverse la ligne des nœuds, c'est-à-dire l'intersection de ces deux plans.
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Inclinaison de l'orbite lunaire

Bien que la période de révolution synodique soit de 29,5 jours, les éclipses n'ont pas lieu tous les mois. La Lune passe au-dessus ou en dessous du Soleil, car le plan de l'orbite de la Lune autour de la Terre et le plan de l'orbite de la Terre autour du Soleil (écliptique) ne se superposent pas : ils font un angle d'environ 5,145°.

Si la Lune se déplaçait autour de la Terre dans le même plan que la Terre autour du Soleil, c'est-à-dire sur le plan de l'écliptique, il y aurait une éclipse de Lune à chaque pleine lune et une éclipse de Soleil à chaque nouvelle lune, tous les 29,5 jours, chacune séparée de 15 jours.

En fait, les alignements des trois astres ne peuvent se produire que si la Lune se trouve très proche du plan de l'écliptique. C'est pour cette raison que ce plan a été appelé ainsi, en rapport avec l'éclipse.

Les nœuds de l'orbite lunaire

L'endroit où la Lune passe au-dessus du plan de l'écliptique s'appelle le nœud ascendant. Inversement, l'endroit où la Lune passe en dessous du plan de l'écliptique s'appelle le nœud descendant.

Pour assister à une éclipse totale ou partielle, il faut que la Lune se trouve sur la ligne des nœuds : c'est le seul endroit où l'alignement des trois astres est parfait. On a donc entre quatre et six éclipses dans l'année, au moins deux de Soleil et au moins deux de Lune.

Syzygies et saisons d'éclipses

En résumé, les éclipses se produisent lors des syzygies (alignement des trois astres) proches de la ligne des nœuds. Autour du passage des nœuds, il existe une période de 35 jours pendant laquelle une éclipse peut se produire. En 34,5 jours, il est possible d'observer deux éclipses de Soleil ou deux éclipses de Lune, car la lunaison dure 29,5 jours. Les éclipses sont donc espacées d'environ un mois ou de cinq à six mois.

Influence de la distance Terre-Lune

La distance Terre-Lune varie entre 363 104 km et 405 696 km. Plus la Lune est éloignée de la Terre au moment de la syzygie, plus l'éclipse est partielle. L'intervalle entre deux éclipses totales de Soleil d'une même saison (par exemple d'un été à l'autre) est généralement de 12 lunaisons, soit 354,4 jours (1 an - 11 jours). Ainsi, nous avons pu assister à une éclipse totale en Mongolie le 1^er août 2008, puis à une éclipse totale en Chine le 22 juillet 2009, et enfin à une éclipse totale en Polynésie le 11 juillet 2010.

Conditions d'alignement

Plan des orbites apparentes de la Lune et du Soleil, vues de la Terre. Si la Lune se déplaçait autour de la Terre dans le même plan que la Terre autour du Soleil, i.e. sur le plan de l'écliptique, il y aurait une éclipse de Lune à chaque pleine lune et une éclipse de Soleil à chaque nouvelle lune, tous les 29,5 jours, chacune séparée de 15 jours.

La période des éclipses durent 34,5 jours, il y a donc 2 ou 3 éclipses pendant cette période. Il y a aussi 1,5 ou 6 mois entre deux éclipses de soleil ou de lune consécutives. Les alignements des trois astres ne peuvent se produire que si la Lune se trouve très proche du plan de l'écliptique, c’est pour cette raison que ce plan a été appelé ainsi, en rapport avec l'éclipse.

Références

FAQ : Tout savoir sur les éclipses et les phases de la Lune

Qu'est-ce qu'une éclipse de Lune ?

Une éclipse de Lune se produit lorsque la Terre s'interpose entre le Soleil et la Lune, projetant son ombre sur notre satellite. La Lune traverse alors le cône d'ombre de la Terre, ce qui l'assombrit partiellement ou totalement. Ce phénomène ne peut se produire qu'à la pleine Lune, lorsque le Soleil, la Terre et la Lune sont alignés.

Pourquoi la Lune change-t-elle de phase ?

La Lune ne produit pas de lumière ; elle réfléchit celle du Soleil. Au fur et à mesure qu'elle tourne autour de la Terre, la portion éclairée visible depuis notre planète change. C'est ce cycle de 29,5 jours qui donne naissance aux huit phases lunaires, de la nouvelle Lune à la pleine Lune.

Pourquoi n'y a-t-il pas une éclipse à chaque pleine Lune ?

Parce que l'orbite de la Lune est inclinée d'environ 5,145° par rapport au plan de l'écliptique. La plupart du temps, la Lune passe au-dessus ou en dessous de l'alignement parfait. Les éclipses ne se produisent que lorsque la Lune se trouve près des nœuds, c'est-à-dire aux points où son orbite croise l'écliptique.

Quelle est la différence entre une éclipse solaire totale et annulaire ?

Une éclipse totale se produit lorsque la Lune est suffisamment proche de la Terre pour couvrir entièrement le disque solaire. Une éclipse annulaire survient lorsque la Lune est plus éloignée : elle apparaît plus petite et laisse voir un anneau de lumière solaire autour d'elle. Cette différence est due à l'excentricité de l'orbite lunaire.

Combien de temps dure une éclipse ?

La durée d'une éclipse varie selon le type. Une éclipse totale de Soleil dure généralement quelques minutes (au maximum environ 7 minutes). Une éclipse de Lune peut durer plusieurs heures, car la Lune met du temps à traverser l'ombre de la Terre.

Qu'est-ce que la ligne des nœuds ?

La ligne des nœuds est l'intersection entre le plan de l'orbite lunaire et le plan de l'écliptique. Les deux points où cette ligne coupe l'écliptique sont appelés nœuds ascendant et descendant. Les éclipses ne peuvent se produire que lorsque la Lune se trouve à proximité de cette ligne.