Les éclipses lunaires

Dans l'ombre de la Terre

Eclairée par le Soleil, la Terre projette derrière elle un cône d’ombre qui s’étend dans l’espace sur une longueur d’environ 250000 km ou 39 rayons terrestres. Ainsi que Kepler le suggéra, en réalité si la lumière solaire n'était pas réfractée dans l'atmosphère terrestre, le cône d'ombre d'étendrait 5.5 fois plus loin, sur 1.4 million de km ou environ 216 rayons terrestres.

Le cycle de Saros définit 84 éclipses lunaires et solaires en moyenne. Etant donné que les éclipses de Lune peuvent s’observer sur toute l’hémisphère de la Terre plongée dans l’obscurité, il y a en fait plus de chances d’assister à une éclipse de Lune qu’à une éclipse de Soleil. Mais les conditions d’occultation sont plus rigoureuses que celles qui régissent les éclipses solaires.

Le plan de la Lune doit former un angle inférieur à 41’10” avec le plan de la Terre et celui du Soleil (l'axe Terre-Soleil) pour que nous puissions assister à une éclipse ne fut-ce que partielle. Aussi, le plus souvent la Lune passe à côté de l’ombre de la Terre. Il y a donc moins d’éclipses lunaires que d’éclipses solaires avec un maximum de 3 éclipses lunaires par an.

Au cours du XXI^e siècle, nous aurons l'occasion d'assister à 85 éclipses de Lune dont 40 à 45 éclipses totales depuis un point géographique précis, ce qui représente environ 1 éclipse tous les 2.3 ans (par comparaison, en un même lieu, une éclipse totale de Soleil se reproduit en moyenne tous les 375 ans).

Lorsque la Lune est correctement placée dans l’axe Terre-Soleil, nous pouvons assister à 3 types d’éclipses lunaires :

- L’éclipse par la pénombre, lorsque la Lune ne traverse pas l’ombre de la Terre

- L’éclipse partielle, lorsque la Lune traverse une partie seulement de l’ombre de la Terre

- L’éclipse totale, lorsque la Lune pénètre totalement dans l’ombre de la Terre.

La grandeur d’une éclipse lunaire se définit comme la fraction de la Lune éclipsée. L’éclipse sera totale lorsque sa grandeur sera égale ou supérieure à l’unité.Les planètes géantes

Une éclipse de Lune est caractérisée par 6 moments clés (au maximum) :

- 1^er contact, la Lune entre dans la pénombre de la Terre, l'éclipse partielle commence

- 2^e contact, la Lune entre dans l’ombre de la Terre. Cette phase peut durer 2h30

- L'éclipse totale. Cette phase peut durer 1h46m

- 3^e contact, la Lune sort de l'ombre et reprend contact avec la pénombre de la Terre, fin de l'éclipse totale

- 4^e contact, la Lune sort de la pénombre de la Terre

- Dernier contact, fin de l'éclipse partielle.

A consulter : Shadow and Substance, Larry Koehn

Simulations des éclipses et des conjonctions planétaires

Ci-dessus, schémas d'une éclipse de Lune. C'est l'effet de la réfraction atmosphérique de la lumière du Soleil et la densité des poussières en suspension dans la haute atmosphère de la Terre qui déterminent la coloration et la brillance de l'éclipse. Documents T.Lombry. Ci-dessous à gauche, photo composite de 3 images, prises par Colin Legg le 31 janvier 2018. Chaque image comprenant 5 photos HDR (5 stops de différence par image) prises avec 2 APN placés en tandem équipés d'un téléobjectif de 400 mm + téléconvertisseur 2x. On distingue clairement la limite de l'ombre de la Terre ainsi que les étoiles. La Lune se déplace de gauche à droite et vers le bas. Voir également la vidéo sur Wimeo. A droite, l'éclipse du 28 août 2007 photographiée par Sean Bagshaw depuis le mont Acacia situé dans les montagnes de Siskiyou en Orégon. Photo composite prise avec un APN Canon EOS 5D équipé d'un objectif zoom de 28-135 mm et d'un téléobjectif de 400 mm.

L’éclipse durera plus longtemps lorsque la Lune est à l’apogée (au plus loin de la Terre) et durant l'été dans l'hémisphère nord. Le diamètre du cône d’ombre projeté par la Terre sur la Lune sera plus petit mais les lois de Kepler - la loi des aires - prévalent malgré tout : plus éloignée de la Terre, la Lune se déplace plus lentement sur son orbite. Ce phénomène est décisif.

La vitesse de la Lune est d’environ 1 km/s (15'/minute) et la phase totale peut durer au maximum 1h46m. Une telle durée est très rare. Selon les calculs de Jean Meeus, l'éclipse totale de Lune du 16 juillet 2000 qui fut observée dans l'Océan Pacifique, le sud de l'Asie et en Australie dura 106 minutes 45 secondes, et 3 secondes de plus le 13 août 1859. Ce ne sera pas avant le 19 août 4753 qu'on pourra assister à une éclipse totale d'une durée de 106 minutes 35 secondes.

Dans son entièreté et lorsque les configurations planétaires sont optimales, le phénomène peut durer plus de 6 heures.

Aristarque et la mécanique céleste

C’est en observant la forme que prenait l’ombre de la Terre sur la surface de la Lune, qu’il y a plus de 2200 ans Aristarque parvint à déterminer la distance Terre-Lune. A condition de connaître le diamètre de la Terre, il se demanda combien de Lune pouvait-on placer dans l’ombre de la Terre ? Un problème classique des stages d’astronomie...

Malgré l’imprécision de ses instruments, Aristarque parvint également à estimer la distance Terre-Soleil. Bien que son erreur atteignit un facteur proche de 20, il considérait que le Soleil était 20 fois plus éloigné que la Lune. Depuis cette époque, mathématiciens et astronomes n’ont cessé d’arpenter le ciel, cherchant inlassablement notre place dans l’univers.

La couleur des éclipses

La couleur de la Lune durant une éclipse varie selon les conditions. A l’instant du 1^er contact, la Lune garde une teinte grisâtre et le phénomène est pratiquement inobservable pour un néophyte.

Au bout d’une heure, lorsque la Lune pénètre dans l’ombre de la Terre (2^e contact), le bord est du limbe commence à disparaître. L’ombre bleue-nuit, quasi noire, envahit sa surface illuminée en formant une grande échancrure, signe de la rotondité de la Terre. La partie de la Lune plongée dans l’ombre prendra une teinte orange, phénomène provoqué par la réfraction de la lumière solaire dans l’atmosphère terrestre (c'est le même phénomène qui se produit au coucher du Soleil lorsque ce dernier prend une couleur rouge).

Lorsqu’une heure plus tard la Lune est complètement plongée dans l’ombre, sa surface prend une teinte cuivrée, d’un rouge plus ou moins sombre selon la quantité d'aérosols (eau et poussières) présents dans l'atmosphère terrestre.

La couleur des éclipses lunaires a été codifiée : 

- Eclipse de type 0 : La partie de la Lune plongée dans l'ombre est pratiquement invisible et sans couleur

- Eclipse de type 2 : Pendant l'éclipse totale, la Lune est rouge foncée avec des contours plus ou moins clairs

- Eclipse de type 4 : Pendant l'éclipse totale, la Lune est orange avec des contours parfois bleutés ou verdâtres. La Lune demeure visible dans l'ombre dans le Terre.

Faits scientifiques et anecdotes

Le choc thermique

Que se passe-t-il sur la Lune pendant une éclipse lunaire ? Car il se produit effectivement un phénomène que les équipages d'Apollo XII (Oceanus Procellarum) et d'Apollo XIV (Fra Mauro) ont mesuré lors de leur séjour sur la Lune en 1971.

Pendant une éclipse totale de Lune, la température à la surface du sol de la Lune est passée respectivement de +75.7°C à -102.7°C et de +67.8°C à -102.8°C, une différence supérieure à 170° C.

Les points chauds

Les images de la Lune prise en infrarouge durant une éclipse totale de Lune montrent que sa surface est littéralement criblée de "points chauds" et de vastes régions plus chaudes que la température moyenne de surface.

Le cratère Tycho notamment connu pour son fameux système de rayons à la pleine Lune est particulièrement brillant en infrarouge. Son rayonnement provient du régolite du sol qui absorbe plus facilement la chaleur du Soleil que celle dégagée par l'intérieur de la Lune. Inversement, Gassendi brille en infrarouge en suivant un profil rappelant la chaleur dégagée par une source interne.

Bien que ce phénomène ait été étudié dans le cadre des LTP depuis plus de 50 ans, aucune théorie définitive explique pourquoi ces "hot spots" apparaissent lorsque la Lune est plongée dans l'ombre de la Terre.

A voir : Hotspots durant l'éclipse du 28 septembre 2015

Eclipse de Lune du 3 mars 2007 photographiée par Josh Valcarcel/US.Navy depuis le vaisseau porte-hélicoptère USS Boxer (LHD 4).

Cliquez sur l'image pour charger une version de 3000x260 pixels (252 KB) ou cette version HD de 14000x1200 pixels (2.8 MB).

L'éclipse qui sauva Christophe Colomb

Enfin, rappelons que c'est une éclipse de Lune qui sauva la vie de Christophe Colomb et de son équipage. Pendant son voyage vers le Nouveau monde, le célèbre navigateur aurait emporté avec lui un almanach qu'on suppose être (car Colomb n'a pas cité ses sources) le Calendarium écrit par l'astronome allemand Johannes Müller von Königsberg, mieux connu sous son pseudonyme latin Regiomontanus. Son almanach couvrait la période 1475-1506 et permettait de calculer les prochaines éclipses de Lune.

Au cours de son quatrième voyage en mai 1502, Christophe Colomb s'échoua sur la côte nord de la Jamaïque en juin 1503, son navire étant en trop mauvais état pour rependre la mer. Suite à une mutinerie, certains membres de son équipage dérobèrent les vivres, obligeant Colomb à demander de la nourriture et de l'eau aux indigènes. Mais n'ayant pas peur de Colomb et se rappelant quelques menus pillages survenus au cours des expéditions précédentes, les Indiens étaient devenus hostiles et refusèrent de l'aider.

Fatigué et malade, Colomb retourna à bord de son navire où il prit le temps de consulter le Calendarium de Regiomontanus et apprit qu'une éclipse totale de Lune était prévue le 29 février 1504, soit trois jours plus tard. Mais les éphémérides étaient calculées pour Nuremberg en Allemagne et Colomb ignorait à quelle heure locale cela correspondait en Jamaïque.

Désespéré et à court de vivres, il essaya malgré tout de tenter sa chance pour impressionner les Indiens. Colomb calcula que la Lune serait éclipsée dès son apparition sur l'horizon et évalua sa durée à "cinq sabliers" depuis le coucher du Soleil d'où il déduisit la longitude de l'évènement (on découvrit plus tard qu'il commit une erreur de 37° en longitude, ce qui correspond à environ 2h30 d'écart).

La veille de l'éclipse totale de Lune, Colomb menaça les Indiens en leur disant que s'ils ne coopéraient pas, la Lune disparaîtrait du ciel la nuit prochaine en signe de mécontentement du Dieu des Chrétiens. Les Indiens s'en moquèrent et Colomb attendit patiemment.

Comme prévu, l'éclipse d'un rouge sombre se produisit effectivement le jour dit et on peut imaginer quel effroi cet évènement provoqua chez les Indiens. Forts impressionnés par le pouvoir de Colomb, les Indiens demandèrent son pardon et de replacer la Lune dans le ciel. Ayant déjà assisté à une éclipse, Colomb savait qu'elle durerait encore quelque temps et leur répondit qu'il devait consulter son Dieu. Il se retira dans ses quartiers pendant une demi-heure, le temps que l'éclipse se termine. Puis il retourna voir les Indiens, leur annonçant que leurs prières avaient été exhaussées.

Le lendemain les Indiens ravitaillèrent le navire de Colomb et l'ont nourri ainsi que son équipage pendant 4 mois, jusqu'à ce que les secours arrivent le 29 juin 1504.

Ce récit historique a inspiré plusieurs auteurs dont Henry Rider Haggard qui évoqua un phénomène semblable dans son roman "Les Mines du roi Salomon" (1885, adapté au cinéma en 1936 et en 1950) ou Hergé qui évoque cette fois une éclipse totale de Soleil dans "Tintin et le Temple du Soleil" (1948).

Comment photographier une éclipse de Lune ?

Vous avez deux possibilités : soit montrer l'évolution de l'éclipse en cours des 5-6 heures que dure le phénomène en prenant des poses successives séparées de quelques minutes, ou réaliser des gros-plans lors des 2^e et 3^e contacts ainsi qu'au milieu de la phase totale. Si vous utilisez un appareil photo de 35 mm "full frame" (FX), il faut savoir qu’une image mesure 24 x 36 mm de côté. Si vous utilisez un objectif grand-angulaire de 24 mm f/2.8, il couvrira un champ réel de 53° x 74° en mode paysage, un peu moins avec un 35 mm.

Si vous disposez d'un logiciel de simulation du ciel (par exemple Stellarium qui est gratuit), essayez de simuler le champ de votre appareil photo ainsi que le déplacement de la Lune au cours de l'éclipse. Cela vous aidera à déterminer l'orientation de votre appareil photo par rapport à la trajectoire de l'éclipse ainsi que le  meilleur écart entre chaque cliché en fonction de la focale que vous utiliserez.

Malgré le fait que les déplacements de la Lune (comme du Soleil) ne soient pas constants en azimut et en élévation, nous pouvons oublier ce phénomène car il s'agit d'une seule surimpression qui n'aura pas besoin d'être comparée avec d'autres images similaires où la symétrie est recherchée.

A gauche, l'éclipse de Lune du 20 janvier 2000 photomontage de Kazuyuki Tanaka, USA. Au centre, animation de l'éclipse du 21 janvier 2000. Séquence réalisée par Pedro Ré. A droite, l'éclipse totale de Lune du 24 mars 1978 photographiée par Akira Fujii. Il utilisa un boîtier moyen format Mamiya Press équipé d'un objectif de 100 mm f/2.8 installé en parallèle sur son télescope. L'image originale de la Lune mesure 0.91 mm sur le film. Les prises de vues en surimpression ont été réalisées toutes les 2 puis ~7 minutes sur film Ektachrome 64, 1/125 de seconde à f/8 durant la phase partielle et 5 minutes à f/4 durant la totalité en poursuite lunaire.

Réalisez des prises de vues espacées d'au moins 1°, soit 2 fois le diamètre de la Lune. Sachant que la Lune se déplace de 15' par minute, un décalage de 1° entre les prises de vues correspond donc à prendre une image toute les 4 minutes (prenons 5 minutes par facilité). A vous de déterminer l'écart optimal qui donnera le plus d'esthétique à la surimpression.

Seule difficulté, lorsque la Lune entrera dans l'ombre de la Terre, l'image sera très sombre et vous devrez facilement multiplier le temps d'exposition par 5 ou 10. Tenez en compte tout en évitant le filé qui détruirait la qualité de votre document.

Beaucoup d'amateurs optent pour la facilité et si l'image du phénomène est isolée de son avant-plan, ils prennent des photographies individuelles avec un téléobjectif ou une petite lunette puis réalisent un compositage par la suite, comme cela a été fait pour la séquence du 15 mai 2003 présentée un peu plus haut.

Rappelons que le temps d'exposition maximum que vous pouvez utiliser pour que les traînées des astres n'apparaissent pas sur le photocapteur est de :

T : Temps d'exposition (secondes)

F : Longueur focale de votre optique (mm)

D : Déclinaison du sujet (degrés)

T = 1000 / (F cos D)

Pour des prises de vues générales et d'ambiance d'une éclipse ayant lieu à 40° de déclinaison et une optique de 24 ou 35 mm de focale, le temps d'exposition maximal sera respectivement de 54 et 37 secondes. En réalisant des prises de vues exposées 5 à 10 secondes durant la totalité vous avez largement le temps de réaliser des expositions prolongées sans craindre le filé.

L'éclipse de Lune du 27 juillet 2018. Se déroulant à l'apogée, c'était la plus longue éclipse totale de Lune du XXIe siècle, avec une totalité qui dura près de 103 minutes. A gauche, une photo prise par Sebastian Voltmer depuis la Namibie avec un Celestron NexStar 4SE équipé d'un APN Sony A7S. Les deux petites étoiles sont Omicron capricorni. Au centre, une photo prise par Pete Lawrence depuis l'Angleterre. A droite, une photo prise par Eric Recurt depuis Ténérife.

Certains APN compacts bas de gamme sont inutilisables pour réaliser ce genre de surimpression car ils ne disposent en général que d'une pose B limitée à 15 ou 30 secondes et certains ne sont même pas équipés de téléobjectif. La meilleure solution consiste à acheter un APN réflex ou hybride équipé d'un téléobjectif (zoom ou focale fixe).

Avant de vous attaquer à une éclipse de Lune, faites plusieurs essais au cours d'une lunaison normale pour déterminer le temps d'exposition sans surexposer l'image (c'est souvent le cas avec les APN compacts) et obtenir des images régulièrement espacées de la Lune.

Dans la majorité des cas, l'avant-plan sera surexposé du fait de l'accumulation des prises de vues individuelles sur la même image. Pensez donc à compositer l'image de l'éclipse avec une image de l'avant-plan prise juste avant ou après l'éclipse. Cela demande donc que vous ayez un ordinateur à votre disposition équipé de quelques logiciels de traitement d'image (par ex. Adobe Photoshop, Iris, etc, cf. cette liste en anglais).

Eclipse de Lune du 9 janvier 2001 photographiée par Giacomo Venturin, Italie.	Eclipse de Lune du 20 janvier 2000 photographiée par Pedro Ré, Espagne.

L'autre solution consiste à utiliser un téléobjectif ou un télescope pour réaliser des gros-plans en couleurs de l'éclipse. L'image de la Lune étant 109 fois plus petite que la longueur focale de votre optique, photographiée avec un APN équipé d'un téléobjectif de 210 mm, comme sur le document présenté ci-dessus, l'image de la Lune mesure moins de 2 mm !

Le sujet étant de très faible luminosité, pour obtenir une image détaillée lorsque la Lune prendra une couleur rouge cuivrée, qu'on travaille avec APN, une caméra CCD ou avec un boîtier argentique, il est conseillé d'utiliser des sensibilités de 200 ou 400 ISO. Progrès oblige, les photocapteurs de nouvelle génération permettent d'utiliser des sensibilités élevées tout en gardant un niveau de bruit très faible.

Vous pouvez réaliser une seule photographie à chaque contact et au milieu de la phase mais vous pouvez également augmenter le rapport signal/bruit et donc la résolution de l'image en empilant une dizaine d'images prises au même instant et en traitant ensuite les images individuelles sur ordinateur.

Si vous utilisez une webcam ou un APN compact, vous pouvez soit l'utiliser en mode afocal (en retirant l'optique de la webcam), soit conserver son objectif. Dans tous les cas utilisez un oculaire de grande focale (un 25 ou un 40 mm selon la focale de votre instrument) pour contenir toute la Lune.

Si vous travaillez avec un télescope catadioptrique, vous avez avantage à ouvrir le champ pour réduire le temps d'exposition en utilisant un télécompresseur de 0.63x. En passant de f/10 à f/6.3 par exemple, vous divisez le temps d'exposition par 2.5 (temps d'exposition de 0.4 s au lieu de 1 s).

Toutefois la tolérance de mise au point est proportionnelle au carré du rapport focal f/D et elle sera donc plus étendue si vous utilisez un rapport focal plus élevé. Il faut donc trouver un justement compromis entre rapport focal et précision de la mise au point. Ce phénomène intervient surtout avec une caméra CCD et d'autant plus que la Lune prendra une couleur rouge sombre, souvent difficile à focaliser, et plus encore si vous utilisez une lunette achromatique... Bref, il y a beaucoup d'éléments à concilier pour obtenir une bonne image en haute résolution d'une éclipse de Lune.

A voir : The Moon During a Total Lunar Eclipse

Time-lapse réalisé par Wang Letian et traitement par Zhuang Jiajie

Pour les prises de vues en haute résolution, abandonnez l'idée d'exposer correctement la région plongée dans l'ombre et simultanément la partie brillante non éclipsée. La différence de contraste entre l'ombre et la clarté dépasse plusieurs dizaines de magnitudes. Essayez plutôt d'effectuer une mise au point optimale durant la totalité, c'est déjà toute une prouesse si vous disposez d'un réglage manuel, et ensuite montrez votre savoir-faire en trouvant la meilleure exposition qui fera ressortir tous les détails de la surface lunaire et toute la richesse des tonalités rouges-orangées. La technique HDR est bien sûr la solution idéale pour enregistrer toute la dynamique du phénomène mais elle exige plus de travail lors du traitement d'image.

Le phénomène étant relativement fugace, à l'ère des APN et autres CCD, il va sans dire que vous avez intérêt à mitrailler pour choisir ensuite les meilleurs photos que vous traiterez sur ordinateur. En effet, après la prise de vue, vous n'avez encore accompli que la moitié du travail ! Comme tout bon photographe vous devez ensuite corriger vos images sur ordinateur (éventuellement après numérisation si vous travaillez encore avec les rares films inversibles exitants) : correction de gamma, masque flou, empilement, compositage, photomontage, etc) pour obtenir des documents comparables à ceux présentés sur cette page.

Vous pouvez aussi filmer le phénomène ou réaliser des photos espacées de quelques secondes seulement. L'avantage est que cela vous permettra d'empiler les meilleurs images parmi toutes celles enregistrées afin de diminuer le bruit électronique et accentuer les détails.

Objet de contemplation, les éclipses reflètent fidèlement les lois de la mécanique céleste. Nous connaissons aujourd’hui les moindres faits et gestes de la Lune. Nous ignorons l’ensemble de ses effets, mais ses influences n’ont plus rien d’occulte et son action sur les êtres vivants est loin d’être démontrée. Seuls effets sensibles, sa force gravitationnelle qui induit les phénomènes de marées sur Terre et les nombreuses perturbations orbitales citées précédemment.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Ephemerides

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La photographie numérique

Formulaire pratique

Bagues T et tubes allonges

Les appareils photos numériques en astrophotographie

Sur Internet

How to Photograph a Lunar Eclipse, Nikon/Fred Espenak

MrEclipse, Fred Espenak

Eclipse (éphémérides) NASA-GSFC

Shadow and Substance (éphémérides et simulations), Larry Koehn

Les éphémérides astronomiques, Jean Vallières

Bureau des Longitudes (éphémérides)

More Mathematical Astronomy Morsels, Jean Meeus, Willmann-Bell, 2002.

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