Pourquoi y-a-t-il six mois de nuit et six mois de jour aux pôles ?

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Pourquoi y-a-t-il six mois de nuit et six mois de jour aux pôles ?

Question posée par des CM1-CM2 :
Pourquoi aux pôles, y-a-t-il 6 mois de nuit et 6 mois de jour ?

Quand on dit "le soleil se lève" cela signifie "le soleil passe au-dessus du plan de l'horizon".
A l'inverse, "le soleil se couche" veut dire "le soleil passe sous le plan de l'horizon".
Au cours de son déplacement apparent annuel, le Soleil peut se situer au-dessus ou au-dessous du plan de l'équateur céleste, projection dans le ciel de l'équateur terrestre.
Quand il est au-dessus, c'est l'été, l'hiver s'il est en dessous. Son passage pile dans le plan de l'équateur marque les équinoxes.
Aux pôles, le plan de l'horizon et le plan de l'équateur sont parallèles.
Alors c'est la même chose de dire "le soleil se lève" et "c'est le début du printemps", et la même chose de dire "le soleil se couche" et "c'est le début de l'automne".
Dans cette situation, le soleil se lève une fois par an (à l'équinoxe de printemps), pour une journée qui durera 6 mois et se couche une fois par an (à l'équinoxe d'automne) pour une nuit qui durera aussi 6 mois.

La question est malgré l'apparence, un peu imprécise.
Est-ce que vous vous étonnez qu'il y ait une nuit et un jour très longs aux pôles ou que cela puisse basculer brutalement de l'un à l'autre ?

Il n'y a pas de basculement brusque. Le passage du jour à la nuit est progressif. De même que quand le soleil se couche, la nuit n'arrive pas immédiatement. Il y a une période de crépuscule (et aussi le matin, le jour se lève avant le soleil). Ensuite, ce n'est pas symétrique. Car il fait jour sans que le Soleil soit au-dessus de l'horizon, donc il y a plus de jour que de nuit (voir la réponse du 31/12/2003 à la question : Sur une année complète, la durée du jour est-elle égale à la durée de la nuit ? pour plus de détails) et si de façon simpliste on parle de 6 mois de jour et 6 mois de nuit, il n'y a en fait que 3 ou 4 mois de nuit complète et 2 mois de crépuscule
(estimation rapide, qui pourrait être raffinée si besoin).

Si la question est pourquoi une "journée" très longue et une "nuit" très longue plutôt que les 365 jours que nous connaissons en France, alors, la réponse est celle-ci :

l'axe de rotation de la Terre est incliné par rapport au plan de son orbite autour du Soleil (plan dans lequel la Terre se déplace autour du Soleil).
Si cet axe était bien droit, c'est-à-dire perpendiculaire au plan de son orbite, quel que soit l'endroit sur Terre, la journée durerait 12 heures (+ la durée des crépuscules). Comme son axe de rotation est incliné, la durée de la journée varie en fonction de la position de la Terre autour du Soleil : la direction de cet axe est quasiment fixe dans le ciel, et donc indépendante du déplacement de la Terre autour du Soleil.

C'est ce qui fait qu'à un moment de l'année, c'est le pôle nord qui est tourné vers le Soleil, et six mois plus tard le pôle sud (et donc l'autre pôle est tourné dos au Soleil).
La Terre est tellement inclinée (d'un angle de 23°27') que près des pôles, le Soleil reste au-dessus de l'horizon quand ce pôle est tourné vers le Soleil ou tout le temps en-dessous de l'horizon quand elle lui tourne le dos.
D'où une journée très longue ou une nuit très longue. 

Le phénomène en question est lié à la variation de l’incidence du Soleil sur la Terre si on l’observe au cours d’une année : le jour et la nuit de six mois aux pôles sont une manifestation du passage des saisons terrestres au long d’une année.
Faisons une petite expérience pour comprendre ce phénomène : prenons une lampe qui illumine sur 360 degrés (tout autour d’elle) pour représenter le Soleil, et un globe terrestre. Mettons la lampe face au globe et à l’horizontale du globe (à la hauteur de l’équateur terrestre) et à une certaine distance.

Étape 1 :    AXE TERRESTRE VERTICAL
Dans une première étape on positionne le globe terrestre avec son axe Nord-Sud bien vertical.
On observe qu’une moitié du globe est à l’ombre (c’est la nuit) et l’autre moitié est éclairée (c’est le jour). Les lignes sur le globe où l’ombre rencontre la lumière représentent les régions qui sont dans la pénombre, entre le jour et la nuit (dans ce cas là, elles coïncident avec des méridiens terrestres). En particulier les deux pôles sont sur la limite entre le jour et la nuit : ils sont dans la pénombre.
Aussi, on observe que l’éclairage est symétrique par rapport à l’équateur. L’angle d’incidence des rayons du soleil dépend de la distance à l’équateur, mais pas de l’hémisphère Nord ou Sud. La région la plus chaude serait près de l’équateur (incidence verticale des rayons) et la plus froide vers les pôles (incidence plus oblique).
Au cours d’une journée :
Pour représenter le passage d’une journée, faisons tourner le globe sur son axe (un tour = une journée = 24 h). Attention au sens de rotation : le jour doit avancer sur la surface terrestre d’Est en Ouest.
Pendant le passage d’une journée la situation aux pôles ne change pas. Les deux pôles sont dans une constante pénombre, les 24 heures de la journée.
Au cours d’une année :
Pour représenter le passage d’une année, faisons tourner le globe terrestre autour du soleil sur le plan horizontal (un tour=une année=12 mois).
Pour étudier l’éclairage de la Terre au long d’une année, il suffit de déterminer quelques points géographiques comme exemples et les observer en trois ou quatre positions différentes du globe au cours d’une rotation autour du Soleil : on constate que l’angle d’incidence des rayons et la longueur des journées et des nuits ne changent pas.
Conclusion 1: « Si l’axe terrestre était vertical par rapport au plan de rotation autour du soleil, il n’y aurait pas de saisons sur la Terre, et en particulier, les pôles seraient dans une éternelle pénombre!! »  
Mais ça n’est pas ce que l’on observe dans la Nature!!
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Étape 2 : AXE TERRESTRE INCLINÉ
Plaçons maintenant le globe terrestre avec son axe légèrement incliné par rapport au plan de rotation autour du Soleil (par exemple: le pôle Nord vers le soleil).
On observe que l’éclairage n’est plus symétrique par rapport à l’équateur et que les lignes de jonction entre le jour et la nuit ne sont plus des méridiens terrestres : un hémisphère (le Nord dans l’exemple) est plus éclairé que l’autre. En particulier, un pôle (le Nord dans l’exemple) est dans la région éclairée (il y fait jour), et l’autre pôle est totalement dans l’ombre (il y fait nuit).
Dans l’hémisphère le plus éclairé, on trouve l’incidence des rayons la plus verticale, donc il y fait plus chaud que dans l’autre hémisphère.
Au cours d’une journée :
Dans l’hémisphère le plus éclairé, les régions éclairées sont plus étendues, en conséquence, il présente des jours plus longs que l’autre hémisphère. Inversement, l’hémisphère moins éclairé présente des longues nuits. Pour l’observer il suffit de déterminer quelques points géographiques comme exemples, faire tourner une fois le globe autour de son axe, et comparer les périodes de lumière et d’ombre.
La situation observée aux pôles ne change pas avec la rotation du globe sur son axe : les pôles sont, respectivement, dans « la nuit » ou dans « le jour » les 24 heures d’une journée.
Au cours d’une année :
Faisons tourner le globe autour du Soleil, sans en changer l’inclinaison ni l’orientation de l’axe terrestre (l’axe terrestre se déplace toujours parallèle à lui-même).
Après un demi-tour,  nous observons que l’hémisphère le plus éclairé passe à être le moins éclairé: il passe de l’été à l’hiver. Pendant ce demi-tour l’autre hémisphère (Sud dans l’exemple) passe de l’hiver à l’été. En particulier, le pôle qui était éclairé (Nord dans l’exemple) entre dans l’ombre, et inversement le pôle qui au début était à l’ombre (le Sud dans l’exemple) passe à être éclairé.
Si l’on répète le mouvement autour du Soleil on peut constater qu’un pôle est dans la région éclairée pendant un demi-tour autour du soleil (demi année = six mois) et il est à l’ombre pendant le demi-tour suivant.

Conclusion Finale
La conséquence de l’inclinaison de l’axe terrestre par rapport au plan de rotation autour du Soleil est que le Soleil n’éclaire pas de la même façon les hémisphères terrestres au long de l’année : On observe des saisons ! 
En particulier les pôles ont  une période d’éclairage (le jour) de six mois pendant la saison la plus chaude, et une autre période d’ombre (la nuit) pendant les six mois les plus froids.

Physisque, Mathematiques, Espagnol
Enseignement de sciences