Pourquoi notre ombre change-t-elle de taille dans la journée ?
Le matin, ton ombre peut s’étirer très loin sur le sol, puis devenir bien plus courte autour du milieu de la journée. Ta taille reste la même, mais la direction des rayons du Soleil change au cours de la journée.
Une ombre, c’est de la lumière arrêtée
Ton corps ne laisse pas passer la lumière du Soleil. Quand tu es dehors au soleil, il empêche donc une partie des rayons d’atteindre le sol. La zone moins éclairée derrière toi forme ton ombre. Elle n’est pas une matière accrochée à tes chaussures : c’est un endroit où la lumière directe du Soleil n’arrive pas.
La lumière se propage en ligne droite dans l’air, à l’échelle de ce que tu observes ici. Les rayons qui passent à côté de ta tête ou de tes épaules continuent leur chemin jusqu’au sol. Ceux que ton corps arrête n’y arrivent pas. Cela dessine une silhouette dont le contour dépend de ta position et de la direction de l’éclairage.
Ton ombre n’est pourtant pas complètement noire. Le ciel et les surfaces autour de toi renvoient aussi de la lumière vers cette zone. Voilà pourquoi tu peux généralement distinguer les détails du sol à l’intérieur de ton ombre.
Un Soleil bas étire les silhouettes
Quand le Soleil est bas dans le ciel, ses rayons arrivent très inclinés par rapport au sol. Après avoir rencontré ta tête, leur trajet jusqu’au sol serait très allongé. La zone privée de ces rayons s’étend donc loin derrière toi : ton ombre est longue. C’est ce qui se produit généralement le matin et en fin d’après-midi.
Quand le Soleil est plus haut dans le ciel, les rayons arrivent plus près de la verticale. La silhouette projetée au sol se rapproche de tes pieds. Ton ombre devient plus courte, même si tu te tiens exactement de la même façon au même endroit.
Imagine un arbre immobile sur un terrain plat. Au cours d’une journée ensoleillée, son ombre change sans que l’arbre ait besoin de bouger. Il en va de même pour toi : pour un même objet sur un même sol, plus le Soleil est bas dans le ciel, plus l’ombre est longue.
Le terrain compte aussi. Une ombre qui passe du sol à un mur, ou qui s’étend sur une pente, peut paraître déformée. La longueur apparente dépend donc aussi de la pente du terrain et de la posture du corps.
La Terre tourne, l’ombre se déplace
Si le Soleil semble traverser le ciel pendant la journée, c’est principalement parce que la Terre tourne sur elle-même. Tu tournes avec elle sans t’en rendre compte. Depuis l’endroit où tu te trouves, la direction du Soleil change progressivement, et celle de ton ombre aussi.
Ton ombre se projette toujours du côté opposé au Soleil. Quand il éclaire ton dos, elle apparaît devant toi. S’il t’éclaire de côté, elle s’étend de l’autre côté. Elle change donc à la fois de longueur et de direction au fil des heures.
Sur un sol horizontal, l’ombre est la plus courte au moment où le Soleil atteint sa position la plus haute de la journée. Ce moment s’appelle le midi solaire. Il ne correspond pas forcément à midi sur une montre : l’heure officielle, le lieu et la période de l’année interviennent.
La saison joue également un rôle. En France métropolitaine, le Soleil monte moins haut dans le ciel en hiver qu’en été. Au midi solaire, un même objet produit donc généralement une ombre plus longue en hiver. Et même à midi, ton ombre ne disparaît pas forcément : il faudrait que le Soleil soit exactement au-dessus de toi, ce qui n’arrive pas en France métropolitaine.
À partir de quel âge ?
Dès 5 ou 6 ans, vous pouvez aborder le sujet avec une idée concrète : le corps bloque la lumière, et l’ombre apparaît du côté opposé au Soleil. À cet âge, l’enfant peut déjà découvrir qu’une ombre est parfois longue, parfois courte, et qu’elle change aussi de direction.
Vers 7 à 9 ans, vous pouvez relier la longueur de l’ombre à la position du Soleil. À partir de 9 ou 10 ans, selon l’intérêt de l’enfant, la rotation de la Terre, le midi solaire et les différences entre les saisons deviennent plus faciles à comprendre. Aucun calcul n’est nécessaire pour saisir l’essentiel.
Vous pouvez laisser l’enfant formuler une première explication, puis en discuter à partir des idées de l’article. Les mots scientifiques peuvent attendre : l’objectif est de distinguer ce qui change réellement. La taille du corps reste presque identique au cours de la journée, alors que celle de son ombre varie.
À faire ensemble
Vous pouvez commencer l’échange par cette question : « Pourquoi une ombre s’allonge-t-elle quand le Soleil est bas ? » Vous pouvez répondre avec vos propres mots et imaginer le trajet des rayons. Quand les rayons sont très inclinés, la zone sans lumière directe s’étend loin derrière le corps. L’ombre s’allonge donc sans que le corps grandisse.
La discussion peut ensuite porter sur la direction : « Pourquoi l’ombre se trouve-t-elle à l’opposé du Soleil ? » Votre corps intercepte les rayons qui arrivent de son côté éclairé. La zone qu’ils n’atteignent pas se situe de l’autre côté. Vous pouvez reprendre cette explication ensemble, sans chercher une formulation compliquée : le corps fait obstacle à la lumière.
Enfin, vous pouvez demander : « Pourquoi le midi solaire n’arrive-t-il pas toujours à midi sur la montre ? » Le midi solaire correspond à la position la plus haute du Soleil dans la journée, tandis que la montre suit une heure officielle commune à une région. Le lieu, la période de l’année et les changements d’heure peuvent donc créer un décalage entre ces deux repères.
Pour prolonger ce travail sur les changements visibles, vous pouvez choisir une expérience déjà publiée : la fleur qui change de couleur permet de s’intéresser au transport de l’eau dans une plante, tandis que le chou rouge qui change de couleur fait découvrir un indicateur de pH. Ces changements ont d’autres causes que celui de l’ombre, ce qui permet de comparer les explications. Un adulte accompagne toute expérience réelle.
Et quand le Soleil est caché ?
Par temps très couvert, ton ombre peut devenir difficile à distinguer. Les nuages diffusent la lumière, qui arrive alors de nombreuses directions. Les zones que ton corps prive de lumière depuis une direction sont éclairées depuis d’autres : le contour de l’ombre devient moins net.
À l’intérieur, plusieurs sources lumineuses peuvent produire plusieurs ombres. Leur taille dépend alors aussi de la distance entre la source, ton corps et la surface qui reçoit l’ombre. Ce n’est pas exactement la situation du Soleil, tellement éloigné que ses rayons arrivent presque parallèles à l’échelle de ton corps.
Un bâton plongé dans l’eau peut sembler cassé alors qu’il ne change pas vraiment de forme. Dans ce cas, la lumière change de direction lorsqu’elle passe entre l’eau et l’air. Dans le cas de ton ombre au soleil, ton corps bloque les rayons du Soleil : c’est leur inclinaison qui détermine jusqu’où la silhouette s’étire sur le sol.
Sources : NASA Space Place