Pourquoi l’hiver démarre-t-il au moment même où le soleil revient ?

Vendredi 22 décembre 2023, à 4 h 27 et 19 secondes, heure de Paris, nous avons franchi le solstice d’hiver. C’est-à-dire le moment de l’année où l’hémisphère nord est le moins éclairé par le soleil, et où la durée du jour est la plus courte. Le solstice marque aussi l’entrée officielle dans l’hiver. Ce qui, à première vue, est complètement absurde.

Puisque les jours commencent à s’allonger à partir de cette date, le rayonnement solaire envoie chaque jour un peu plus de chaleur sous nos latitudes. Il devrait donc faire de plus en plus chaud. Pourtant, l’hiver démarre au moment même où le soleil revient. Comment expliquer un tel paradoxe ?

« Commençons par dire que la définition des saisons est une pure convention arbitraire », répond Olivier Dequincey, docteur en sciences de la Terre et responsable éditorial du site Planet-Terre. « On a décidé que l’hiver commençait avec le solstice mais, en Chine, il démarre début novembre. »

Météo-France souligne également que, pour les météorologues, les saisons sont décalées de trois semaines. L’hiver « météorologique » démarre le 1^er décembre et couvre ainsi l’ensemble des mois de décembre, janvier et février. Ce qui est déjà plus logique puisque les jours les plus froids de l’hiver sont enregistrés en général mi-janvier. Le pic de froid tombe donc à peu près au milieu de l’hiver météorologique.

Cela ne résout pas entièrement notre problème : ce pic de froid tombe tout de même plusieurs semaines après le jour le plus court de l’année, qui est celui qui est le moins chauffé par le soleil. Pour comprendre ce qu’il se passe, il faut d’abord comprendre ce qui crée les saisons. Reprenons en trois points.

1 - D’où vient l’hiver ?

Les saisons existent parce que la Terre n’est pas droite. Son axe de rotation sur elle-même est incliné d’environ 23° par rapport au soleil. À cause de cette inclinaison, un hémisphère est plus exposé à la lumière solaire que l’autre. À mesure que la Terre tourne autour du Soleil, les zones qui sont les plus exposées changent. Comme le montre le schéma ci-dessous, le solstice d’hiver correspond, pour nous, au moment où la Terre expose le moins son hémisphère nord au soleil au cours de sa course annuelle autour de notre étoile.

Cette inclinaison ne joue pas seulement sur la durée d’ensoleillement. Elle change aussi l’angle sous lequel les rayons du soleil nous atteignent. Plus l’hémisphère nord est incliné par rapport au soleil (c’est-à-dire plus la position de la Terre est proche du solstice d’hiver), plus ces rayons nous parviennent depuis un point que nous percevons bas dans le ciel.

Or, plus un faisceau de lumière frappe la Terre de manière oblique, plus cette lumière va se répandre sur une surface étendue. Autrement dit, plus son énergie sera répartie sur une grande surface. Plus éparpillé, le rayonnement chauffera donc moins en un point donné, comme permet de le comprendre cet autre schéma.

Autre conséquence de cette inclinaison relative des rayons solaires : ils traversent plus de couches d’atmosphère avant d’atteindre le sol. Contrairement à ce qu’on pourrait penser intuitivement, ce n’est pas cela qui est le premier facteur de moindre chauffage de nos latitudes en hiver, mais bien la dilution du rayonnement sur une plus grande surface au sol.

« L’énergie solaire est assez peu absorbée par l’atmosphère, à part certains UV dans la couche d’ozone. Mais le fait que les rayons sont plus perpendiculaires l’été que l’hiver, et donc qu’il y a plus de rayonnement par unité de surface l’été, est bien le facteur déterminant. Le flux net en Europe passe d’environ 100 watts par mètre carré (W/m²) en janvier à près de 300 W/m² en juillet », précise Julien Cattiaux, chercheur CNRS au Centre national de recherches météorologiques.

2 - D’où vient l’inertie ?

Le 22 décembre 2023 est donc le moment où la terre en Europe reçoit le moins d’énergie de l’année. Ce n’est toutefois pas la température de la terre qui nous intéresse au moment de choisir notre plus beau pull de Noël, mais bien celle de l’air. C’est là qu’intervient l’inertie.

« L’atmosphère est transparente au rayonnement visible : celui-ci réchauffe d’abord l’océan et la terre. Et c’est lorsque ces derniers rayonnent qu’ils réchauffent à leur tour l’atmosphère. C’est ce qui explique le décalage : au 22 décembre, la terre reçoit moins d’énergie mais elle continue à restituer celle emmagasinée les semaines précédentes », explique Olivier Dequincey.

D’autres mécanismes se mettent ensuite en place : comme l’air chaud monte, cela va faire mécaniquement descendre de l’air froid ailleurs. L’air circule à grande échelle et toute la complexité des phénomènes météorologiques se met en place.

« Ces déplacements d’air redistribuent l’énergie. Les dépressions et anticyclones font la météo. C’est ce qui fait qu’il ne fera pas exactement le même temps ni la même température un 22 décembre d’une année à l’autre. Mais ce sont bien ces variations de rayonnement reçus qui font les saisons », ajoute Olivier Dequincey.

3 - Cette inertie peut-elle évoluer ?

Toutes les surfaces n’ont cependant pas la même capacité à emmagasiner de l’énergie. « D’abord à cause de l’albédo : un sol sombre absorbe plus d’énergie qu’un sol clair comme la neige. Ensuite à cause des capacités thermiques des matériaux eux-mêmes. Le basalte chauffe plus que le calcaire », dit Olivier Dequincey.

« Il y a aussi une forte différence entre les océans, qui emmagasinent la chaleur sur des dizaines de mètres de profondeur, et les continents où seuls les premiers mètres entrent en compte. Il y a donc moins d’inertie sur terre », complète Julien Cattiaux.

Selon les données du chercheur, l’inertie thermique, par exemple entre le solstice et le pic de froid, varie ainsi considérablement selon les régions du globe. Le décalage est d’environ 20 à 25 jours en Europe de l’Ouest, en partie parce que l’inertie de l’océan joue sur notre climat océanique, alors qu’il n’est que de 12 à 15 jours sur la côte est des États-Unis, au climat continental. Dans l’océan, le décalage est encore plus grand et atteint 75 jours au milieu de l’océan Atlantique.

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Reste une inconnue : le changement du niveau d’enneigement ou de végétation d’une région donnée, sous l’effet du changement climatique, peut-il changer significativement ces capacités thermiques, et donc retarder encore l’hiver ? « C’est difficile à savoir. Ce qui est sûr, c’est que le changement climatique va rendre les hivers de moins en moins froids », note le chercheur. Sans compter que, comme nous rappelait également le climatologue Davide Faranda, l’hiver pourrait devenir de plus en plus court et ne durer qu’un mois d’ici la fin du siècle.