C Calcul de l’influence de l’obliquité (réduction à l’équateur)

L’inclinaison de l’axe de la Terre (obliquité) est ε = 2326= 23, 43. La longitude écliptique du Soleil au périhélie par rapport au point vernal (noté γ) est Π = 282, 9372 (figure 13).


PIC

FIG. 13: Trajectoire et angles de repérage du Soleil dans le plan de l’écliptique.


La longitude écliptique du Soleil (plan de l’écliptique : plan de rotation du soleil) est donnée par :

λ = ν + Π =  M  + Π + C  = 280,47 ∘ + M (J -  J   ) + C.
                                        1      2000
(33)

Dans le système de coordonnées écliptiques, le Soleil a pour coordonnées

(
{  xp  =   cosλs
   yp  =   sin λs
(  zp  =   0
(34)

On veut maintenant exprimer les coordonnées du Soleil dans le système de coordonnées équatoriales. Ces coordonnées sont nommées ascension droite (α) et déclinaison (δ). Dans ce système, le Soleil a pour coordonnées

({  x   =   cosα cosδ
    e
(  ye  =   sin α cosδ
   ze  =   sin δ
(35)

et à l’aide d’une matrice de rotation (rotation d’un angle -ε autour de ⃗x), on obtient sans trop de difficulté à partir de l’équation (34)

(
{  xe  =   cosλs
   ye  =   sin λscos ε
(
   ze  =   sin λssinε
(36)

soit finalement en rassemblant les équations (35) et (36)

(
{  cos αcos δ  =  cos λs
   sin αcos δ  =  sin λscosε
(
         sin δ  =  sin λssinε
(37)

et donc

αs  =   arctan(tan λscos ε),                             (38)

 δs =   arcsin(sin λssinε).                              (39)

On peut utiliser directement ces deux formules (en faisant attention à l’utilisation de la fonction arctan [4]), ou utiliser un développement limité en ε. On obtient alors

αs  =   λs - 1-sin(2λs)ε2 + -1-(- 4 sin(2λs ) + 3 sin(4λs ))ε4
             4             96
          -1---                                         6
        + 2880 (- 17 sin (2λs) + 30 sin(4λs) - 15sin(6λs))ε ,                     (40)
                 1                         1           1           3
δs  =   sin λsε + -(- sinλs + sin3λs)ε3 + (----sin λs - ---sin3λs + ---sin5λs)ε5
                 6                        120         12          40
    =   (ε - 1-ε3 +-1-ε5)sinλs + (1-ε3 - 1-ε5)sin3λs + -3-ε5sin5 λs.              (41)
            6      120            6      12            40
On peut vérifier que -ε < δs < ε.

On appelle R la différence entre αs et λs :

R  =   αs - λs
          1-2   1--4   -17-- 6             1--4   1--6            -1-- 6
   =   (- 4ε -  24ε  - 2880 ε )sin (2λs) + ( 32ε + 96ε )sin(4λs) - 192 ε sin (6 λs). (42)
Après calcul on obtient
             ∘                  ∘                 ∘
R =  - 2,4680 sin(2λs) + 0,0530  sin (4 λs) - 0, 0014 sin(6λs),
(43)

et

δs = 22,801∘sin λs + 0,5999∘sin3λs + 0,0493 ∘sin5λs.
(44)


On trouve dans la littérature une autre expression pour R (par exemple [4], avec une démonstration différente).

Soit y = arctan (      )
  tan x
  cos-θ. Dans [2], il est montré que

f(x) = dy-=  -----cos-θ-----
       dx    1 - sin2 θcos2 x
(45)

peut s’exprimer sous la forme d’une série de Fourier :

             ∑∞
f(x ) = 1 + 2    tan2n θ-cos2nx.
                      2
             n=1
(46)

Par intégration, on peut alors exprimer y sous forme d’une somme.

Considérons à présent la fonction y = arctan(tan x. cos θ). Sa dérivée vaut

g (x ) = dy-=  -----cosθ------.
        dx    1 - sin2 θsin2x
(47)

On a donc g(x) = f(x - π∕2). Par conséquant, on peut écrire

             ∑∞
g(x) = 1 + 2    tan2n θ-cos2n (x - π∕2),
                      2
             n=1
(48)

soit encore, sachant que cos = (-1)n (n entier) :

              ∞
             ∑       n    2n θ-
g(x ) = 1 + 2   (- 1) tan   2 cos2nx.
             n=1
(49)

Par intégration et remplacement des variables par les quantités pertinentes pour le problème (équation (38), on obtient donc finalement

     ∑∞       n
R  =     (--1)-tan2n ε-sin 2n λ .
           n         2        s
     n=1
(50)

Généralement, la formule présentée ne retient que trois termes :

R =  - tan2 εsin 2λ +  1-tan4 ε-sin4λ  - 1-tan6 ε-sin 6λ  + ...
            2      s   2     2       s  3      2      s
(51)

On peut remarquer que l’équation (42) correspond au développement limité à l’ordre 6 de l’équation (51). L’application numérique donne un résultat identique.