Les coordonnées

terrestres

   De tout temps, l'homme fut un grand voyageur. Aussi il dut se poser la question: où suis-je, où vais-je ? Les notions de coordonnées apparurent avec Eratosthène lorsqu'il divisa la sphère. Plus tard la notion de  méridien, parallèle, latitude et longitude furent introduites pour permettre de se déplacer en zone désertique et surtout sur mer. Les coordonnées terrestres furent inventées. 


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  1. Historique

   Pour nous que la Terre soit ronde est une récente banalité depuis 6 siècles, mais il n'en fut pas toujours ainsi. Des écrits datant de 650 ans BP (Before Present - av.J.C.), nous apprennent que Thalès de Milet, un grec, aurait trouvé en Egypte et en Irak (Babylone) des calculs démontrant que la Terre était ronde. D'autres, tel que le grec Philolaüs, en étaient certains dès le 6eme siècles BP. Plus tard, un astronome marseillais du nom de Phythéas (grec de Marseille au 4e siècle BP), qui fut le premier homme à franchir le cercle polaire, fut convaincu que la Terre était ronde à la suite de nombreux calculs et observations, qu'il fit lors de ses voyages. Et c'est le grec Eratosthène (276 - 194 BP) qui fit la première mesure et confirma que la Terre était ronde. C'est ainsi qu'en 230 BP, on savait que la Terre était ronde. Il faudra ensuite attendre plus de mille ans pour que la vérité triomphe.

  1. Les parallèles

   De tout temps, l'homme fut un grand voyageur. Aussi il dut se poser la question: où suis-je, où vais-je ? Pendant très longtemps les repères furent terrestres le jour et célestes la nuit. Pour le jour, les repères furent portés sur des cartes et pour la nuit les babyloniens avaient dessiné les constellations. Mais la lecture du ciel, donc du domaine des dieux, fut réservée aux prêtres. Eux seuls étaient habilités à interpréter et prédire les signes qu'ils croyaient discerner. Ils inventèrent les constellations du zodiaque qui existent encore aujourd'hui. Les cartes et le zodiaque étaient imprécis et furent la cause de beaucoup d'erreurs. Des géographes (géo = Terre et graphos = écrire) se sont penchés très tôt sur ce problème de localisation. Des cartes sont apparues, mais très imprécises.

  Chacun sait que pour se retrouver dans un plan, il faut connaître 2 points. Ainsi, en jouant à la bataille navale vous êtes obligés de localiser avec 2  valeurs différentes: a et b. Ces valeurs s'appellent des coordonnées. Le point P se trouvera toujours à l'intersection de 2 coordonnées. Fort de son étude sur la rotondité de la Terre (mesure des angles et division du cercle), Eratosthène mit au point un  système de coordonnées à l'intérieur desquelles il pouvait positionner un point de la Terre, en l'occurrence une sphère. Il eut l'idée de partager la sphère en 2 moitiés qu'il appela hémisphère (hémi = demi) ou demie sphère. Il créa l'hémisphère Nord et l'hémisphère Sud.  A la ligne de partage de ces 2 hémisphères il donna le nom d'équateur (équa = égal).  Ayant déjà divisé le cercle en 360° (les sumériens, 2100 BP, sont à l'origine du nombre 360), il resta cohérent en faisant pareil avec la sphère. Mais pour la partie horizontale, il mit des lignes parallèles à l'équateur, d'où leur nom: parallèles. Leurs coordonnées sont prises à partir de leur position par rapport au centre O de la Terre sur un quart de cercle, allant de 0° pour l'équateur à + 90° au pôle Nord et - 90° au pôle Sud.

  Une particularité intéressante. La position angulaire bouge sur la sphère céleste de l'angle de l'obliquité de la Terre qui est égale à  23, 27 degrés par rapport à l'écliptique (plan dans l'espace sur lequel se déplace les planètes). La position de l'équateur est égal à 0 degré. Sur la figure ci-dessous, c'est l'été dans l' hémisphère Sud (21 décembre), le Soleil (sur l'écliptique) est au zénith au tropique du Capricorne. Lorsque le Soleil est au zénith en été (21 juin), dans l'hémisphère Nord, il se trouve dans la constellation du Cancer à + 23,27°  et en été dans l'hémisphère Sud, il se trouve dans le constellation du Capricorne, à - 23,7°. C'est pour cela que les 2 parallèles concernées à 23,27° portent le nom du tropique en relation avec le nom de la constellation concernée. Au nord, tropique du Cancer et au sud, tropique du Capricorne. Mais ces noms furent attribués par les Babyloniens. Aujourd'hui, lorsqu'il est au zénith, le Soleil n'est plus dans ces 2 constellations. En 5 000 ans la précession (26 000 ans) des équinoxes a fait son oeuvre. Il faudrait changer le nom des tropiques.....

 

Pour bien comprendre, je vous conseille de voir l'animation:

http://gibbeon.ens-lyon.fr:9673/Developpement/CSPhysique/Entree_par_medium/Animations/anim_eclairement

 

http://www.mnhn.fr/mnhn/lop/DIOGENE/morphologie/orbite_5.gif

  1. Les méridiens

 

  Pour les méridiens, Eratosthène divisa le cercle décrit à l'équateur en 360° (2 x 180°) , tous les points passant par l' axe de rotation pôle Nord/Sud et l'équateur.  Il y a donc une concentration aux pôles. Mais il y eut pendant longtemps un problème pour la localisation du méridien de référence: 0 degré. Les uns voulaient qu'il passe par Paris et les autres par  Londres. Mais par contre il était acquis que, tout comme pour les parallèles, il y aurait un sens positif en comptant dans le sens de rotation de la Terre, c'est-à-dire Est et un sens négatif en partant vers l'Ouest. Cela entraîna l'utilisation de 180 degrés avec obligation de préciser Est ou bien Ouest (W = West  en anglais).  C'est ainsi que la condition de localisation était remplie, deux coordonnées pour un point et 4 zones de localisation: + nord, - nord, + sud et - sud . Par convention, le signe + n'est jamais indiqué, il est sous-entendu. Un point peut être 20 degrés Nord et 40 degrés Ouest ou - 20 degrés Nord et - 40 degrés Ouest.  Avec ce système en utilisant les sous-multiples, nous sommes capables de déterminer la position au millimètre près. Les sous-multiples du degré sont: la minute et la seconde ou bien une division centésimale du degré. Exemple: 1degré 15 minutes et la même chose que 1,25 degré (1 degré 25 centièmes) et 1 heure 15 minutes = 1,25 heures. Le 1/4 de degré est égal, tout comme l'heure, à 15 minutes ou 25/100.

  1. Ligne de partage du temps

  Après maintes discussions, le point de départ fut Greenwich, endroit de l'observatoire royal de Londres. De nos jours c'est toujours la référence. Le seul problème fut la reconnaissance de la ligne de partage des jours. La Terre fait un tour en 24 heures. Cela signifie que sur un cercle, le début et à côté de la fin. Si vous connaissez le début, vous connaissez la fin. Mais avec 2 sens faisant 180 degrés (décision de octobre 1884), lorsque vous êtes sur le méridien 180 quel jour êtes-vous ?

 

    Le problème fur résolu en triturant légèrement la ligne de partage qui se trouve dans l'Océan Pacifique, où il n'y pas de Terre, sauf à Taveuni , l'une des 300 petites île des îles Fidji. Là-bas, sur la ligne de partage existe une pancarte (voir image ci-dessous) à l'intention des touristes sur laquelle on peut lire à gauche: "Ici vous êtes hier" et à droite: "ici vous êtes demain".

http://www.confluence.org/special/dateline/pic3.jpg

 

 http://www.confluence.org/special/dateline/pic2.jpg

   Toujours dans le même esprit, le temps n'est pas le même lorsqu'on se déplace vers l'ouest ou vers l'est. Comme la Terre tourne en 24 heures et sur 360 degrés, il est facile de connaître l'écart angulaire pour une heure: 360/24 = 15 degrés. C'est-à-dire que à partir du méridien de Greenwich, chaque fois que l'on se déplace de 15 degrés vers l'Est ou l'Ouest, on avance ou on retarde sa montre d'une heure. Par contre, tous les points situés sur un même méridien ont la même heure.

   La définition du méridien est donc la suivante: demi grand cercle passant par les pôles et dont tous les points voient le Soleil en même temps. Ils ont l'heure solaire vraie. Mais pour diverses raisons de  commodités, les limites d'un fuseau horaire (espace entre 2 méridiens) ne sont pas rectilignes comme les méridiens qui eux servent à la localisation. D'autre part la distance entre 2 méridiens n'est pas la même suivant la latitude. Pour un écart angulaire de 1 degré, à l'équateur elle sera de 40 000 : 360 = 111,111 km et pour 1 heure ou 15 degrés: 111,1111 x 15 = 1 666,66 km. Mais aux pôles elle est de 0 km. En effet, tous les points y convergent et ils se trouvent confondus sur le même point. Ainsi on peut y faire le tour du monde en tournant sur place. Sur la figure ci-contre représentant le territoire de Nunavut au Canada, les fuseaux horaires ne sont pas régulier et tout comme les méridiens, la distance entre 2 limites diminuent au fur et à mesure que l'on se dirige vers le Nord.

http://inms-ienm.nrc-cnrc.gc.ca/images/time_services/TZ01SSF.jpg

  1.  Les coordonnées d'un point

     Le système de référence le plus familier pour localiser un point sur un corps sphérique est de faire appel aux parallèles et aux méridiens. Mais le géographe préfère utiliser les termes de latitude au lieu de parallèles et longitude au lieu de méridien. Sur un corps sphérique comme la Terre, c'est facile, comme lorsque le corps est informe c'est plus difficile, mais la méthode reste la même. La difficulté sera de réaliser une carte plate. Mais les scientifiques sont parvenus à concilier les 2 avec l'astéroïde Eros après avoir analysé ses axes de rotation lors de la visite que lui a faite la sonde Near tout au long de l'année 2000, à 240 millions de km de la Terre.


http://near.jhuapl.edu/iod/20000217d/20000217d.jpg

 

Les coordonnées fictives sont centrées sur le "pôle Nord".

http://near.jhuapl.edu/iod/20000601/20000601.jpg

   La sonde se trouvait à 207 km. Les coordonnées fictives sont centrées sur le "pôle Nord". La latitude est mesurée en degrés depuis l'équateur vers les pôles et la longitude est mesurée en degrés à partir d'un méridien de référence. Dans les deux cas, le vertex de l'angle qui est mesuré, indique le centre d'Eros. Les lignes irrégulières sont provoquées par le non sphéricité et la forme irrégulière de l'astéroïde.

 

Cette projection est une conversion de la forme d'Eros, afin de localiser les principales caractéristiques repérées par un nom.

http://near.jhuapl.edu/iod/20001024a/20001024a.jpg

    Cette projection est une conversion de la forme d'Eros, afin de localiser les principales caractéristiques repérées par un nom. Cette image étant une mosaïque couvrant la forme irrégulière sous une variation lumineuse importante, il n'est pas possible d'y distinguer très nettement les limites. Les noms attribués permettent d'avoir un repère cohérent sur la surface d'Eros, pour ceux qui l'étudie. Ces noms font référence à l'histoire et à la science fiction pris dans les différentes cultures. Par exemple, Himeros, à côté duquel s'est posé Near-Shoemaker, vient de la mythologie grecque et personnifie le désir ardent qui accompagne l'amour. Quant à Dulcinée et Don Quichotte, tout le monde connaît l'histoire....

Voir aussi: Eros.

 

  1. Mètre étalon

  En 1791 le mathématicien Delambre, assisté de ces collègues mathématiciens Monge et Legendre ainsi que de l'astronome Méchain, furent chargés par l'Assemblée Constituante de définir le mètre étalon. Après 7 années de travaux et péripéties de triangulation (plus d'une centaine de triangles) entre Dunkerque, Rodez et Barcelone, le mètre devint la dix millionièmes partie du quart du méridien terrestre. Delambre fit la partie Dunkerque - Rodez et Méchain fit l'autre. Décelant  une erreur de 3 secondes d'arc, il recommença ses travaux, mais mourut aux îles Baléares, atteint par la fièvre jaune. 

http://www.sciences-en-ligne.com/momo/chronomath/anx1/an1gif/GeoTrg1.gif

Voir la méthode de calcul:
http://www.sciences-en-ligne.com/momo/chronomath/anx1/geodesie_trg.html

    Les premiers pays qui s'y rallièrent furent européens, puis Etats-Unis, Pérou, etc... Au préalable, le système métrique fut légalisé en France par un décret du 2 novembre 1801. Le mètre étalon en platine iridié (90% de platine et 10% d'iridium) est conservé au pavillons de Breteuil à Sèvres (92).

  1.  Triangulation

    On pense que la triangulation géodésique fut pratiquée pour la première fois par l'astronome danois Tycho Brahé (1546 - 1601) afin de mesurer l'île de Hven, entre le Danemark et la Suède, sur laquelle il avait construit son château d'Uraniborg au milieu de l'île et qui était son observatoire. Ses coordonnées calculées par Tycho Brahé: longitude Est 12° 34 mn et 55° 59 mn de latitude Nord.

   Le hollandais Willebrord Snell van Royen, dit Villebrordus Snellius (1581 - 1626), astronome et géomètre, se servit de cette méthode pour calculer le méridien de la Hollande. Bien que le résultat fut erroné, il avait lancé la méthode. Pour la petite histoire, il serait à l'origine de la virgule qui sépare les chiffres entiers des décimaux.

   En 1666, à la création de l'Académie des sciences, Colbert fut persuadé que les cartes du royaume pouvaient être améliorées. Il chargea l'abbé Picard (1620 - 1682) de ce travail. Ce dernier utilisa la méthode développée par le hollandais Snellius, à l'aide de 13 triangles et de mesures d'angles à partir de points visibles sur le terrain (clocher, tours, etc...). L'arc qu'il mesura s'étendait de Malvoisine (une trentaine de km au sud de Paris) jusqu'à Soudron (à 20 km d'Amiens). Après avoir calculé la longueur totale d'un arc de méridien, il ne lui resta plus qu'à mesurer la latitude aux extrémités pour savoir de quelle fraction du méridien il s'agissait.  Pour le degré de méridien il trouva 57060 toises, soit environ 111 km. Picard conçoit lui-même ses instruments et sera le premier à utiliser une lunette avec un réticule.

  1. Rappel des définitions

   Un méridien est un  demi-cercle passant par l'axe de rotation de la Terre (aux pôles) dont tous les points voient le soleil en même temps. Il est noté de 0 à 180 degrés avec l'appellation Est ou bien Ouest. 

 

  Un parallèle est un cercle horizontale, parallèle à l'équateur est perpendiculaire à laxe des pôles. Il est noté de 0 a 90 degrés avec le signe positif dans l'hémisphère Nord et le signe négatif dans l'hémisphère Sud.

 

    Léquateur, qui partage horizontalement la Terre en deux hémisphères égaux, est le seul parallèle dont le centre entoure horizontalement le centre de la Terre.

     Connaissant ces paramètres, nous pouvons définir tous les points de la surface de tous les corps en utilisant les coordonnées qui deviennent la latitude (parallèles) et longitude (méridiens).

Quelques valeurs:

  • St Malo             lat:  48°38' N et long: 2°02' W

  • Ile de Taveuni  lat:  16°51' S et long: 179°58 W

  • longitude de l'observatoire de Paris  2° 20' 15"

NB:

   Pour ne pas confondre les minutes et secondes de temps avec les angles, toutes mesures angulaire doit s'accompagner de minute ou seconde d'arc.

 

à suivre par les coordonnées célestes ....

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