NAVIGATION DANS L’ANCIEN MONDE MÉDITERRANÉEN ET AU-DELÀ

Grâce à cette activité, les élèves apprendront que :

• la navigation astronomique est née il y a plusieurs siècles ;

• outre l’utilisation de l’étoile Polaire, il existe d’autres méthodes pour déterminer les points cardinaux à partir de la position des étoiles ;

• les anciens navigateurs étaient capables de se diriger en pleine mer grâce aux étoiles et aux constellations.

Les élèves sauront :

• décrire les méthodes permettant de déterminer les points cardinaux à partir de l’observation du ciel ;

• nommer les principales constellations ;

• expliquer la nature des étoiles et des constellations circumpolaires ;

• se servir d’une feuille de calcul Excel pour effectuer leurs calculs ;

• décrire l’importance de l’amélioration des compétences de navigation au sein des anciennes civilisations.

En s’appuyant sur les questions répertoriées dans la description de l’activité, l’enseignant amènera les élèves à utiliser la position et le mouvement apparent des objets célestes pour déterminer les points cardinaux.

Avant de commencer l’activité 1, les élèves devront étudier avec attention la carte fournie. Une visite au planétarium peut aussi les aider à assimiler les constellations. Demandez aux élèves de citer les constellations qu’ils connaissent déjà.

Demandez aux élèves (en vous référant aux questions/réponses présentées dans la description de l’activité) où il est possible d’observer l’étoile Polaire à partir du pôle nord terrestre et de l’équateur. Demandez-leur ensuite de décrire l’évolution de cette position lorsqu’ils passent d’un point à l’autre. Une fois ce concept bien compris, introduisez les notions de rotation et de mouvement apparent des étoiles. Montrez-leur des images de traînées d’étoiles et interrogez-les sur l’origine de ces traînées. Demandez-leur quelles étoiles ou constellations restent au-dessus de l’horizon aux différentes positions sur Terre mentionnées précédemment. Ce sont les étoiles et les constellations circumpolaires.

Expliquez comment utiliser la feuille de calcul Excel qui sera nécessaire pour l’activité 2. Invitez les élèves à comparer leurs résultats relatifs à différentes latitudes.

Discutez avec les élèves des raisons possibles ayant poussé à la navigation dans les temps anciens.

Facultative, la troisième activité permet de réaliser une synthèse et d’évaluer les acquisitions des élèves.

La liste suivante répertorie le matériel nécessaire pour un élève. L’enseignant peut choisir de créer des binômes.

• Fiches de travail

• Compas

• Crayon

• Règle

• Calculatrice

• Rapporteur

• Ordinateur équipé de MS Excel

• Feuille de travail Excel : AncientMediterranean_BrightStars_EUSPACE-AWE_Navigation.xlsx

Points cardinaux

Figure 1 : Mouvement diurne apparent du Soleil dans l’hémisphère Nord au moment de l’équinoxe. Le Soleil atteint son point le plus haut au-dessus de l’horizon en direction du sud. Dans l’hémisphère Sud, le Soleil culmine au nord (Crédit : Tauʻolunga, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Equinox-50.jpg, „Equinox-50“, système de coordonnées horizontal et annotations ajoutées par Markus Nielbock, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode).

Les points cardinaux sont définis par des processus astronomiques, comme le mouvement apparent diurne et annuel du Soleil et le mouvement apparent des étoiles. Dans les temps anciens et à l’époque préhistorique, le ciel avait certainement une signification différente de celle d’aujourd’hui. Et cela transparaît dans les nombreux mythes qui évoquent le ciel dans le monde entier. Nous pouvons donc supposer que le ciel a été observé et étroitement surveillé. Les cycles sous-jacents et les phénomènes visibles étaient alors faciles à observer.

Pour toute position donnée sur Terre, à l’exception de la région équatoriale, le Soleil culmine toujours dans la même direction (Figure 1). La région située entre les deux tropiques à 23,5° au nord

et au sud de l’équateur est particulière, car le Soleil peut atteindre sa position zénithale à midi, heure locale, tout au long de l’année. Pendant la nuit, les étoiles tournent autour des pôles célestes. Des preuves archéologiques datant de l’époque préhistorique, comme des sites funéraires et l’orientation des bâtiments, suggèrent que les points cardinaux étaient bien connus dans les cultures vieilles de plusieurs milliers d’années (par exemple, McKim Malville et Putnam, 1993 ; Rudgeley, 2000 ; Schmidt-Kaler et Schlosser, 1984). Il apparaît donc évident que ces informations ont été utilisées pour naviguer à l’époque. La boussole magnétique était par ailleurs inconnue en Europe jusqu’au XIIIe siècle après Jésus-Christ (Lane, 1963).

Latitude et longitude

Figure 2 : Illustration de la définition des latitudes et des longitudes sur Terre (Crédit : Peter Mercator, djexplo, CC0).

Tout emplacement géographique est déterminé par deux coordonnées. La surface d’une sphère est par définition une zone courbée. Il est donc peu pertinent d’utiliser les notions de « haut » et « bas », car la surface d’une sphère n’a ni début ni fin. Au lieu de cela, nous pouvons utiliser les coordonnées sphériques polaires, établies à partir du centre de la sphère avec un rayon fixe (Figure 2). Il reste deux coordonnées angulaires. Appliquées à la Terre, elles sont appelées « latitude » et « longitude ». La rotation de la Terre fournit l’axe de symétrie. Le pôle nord désigne le point où l’axe théorique de rotation rencontre la surface de la sphère. La rotation se fait dans le sens inverse des aiguilles d’une montre lorsque l’on regarde le pôle nord du dessus. Le point opposé est le pôle sud. L’équateur désigne le grand cercle situé à mi-chemin entre les deux pôles.

Les latitudes sont des cercles parallèles à l’équateur. Elles vont de 0° au niveau de l’équateur à ±90° au niveau des pôles. Les longitudes sont de grands cercles qui relient les deux pôles de la Terre. Pour une position donnée sur Terre, la longitude passant par le zénith, autrement dit le point situé directement au-dessus, est appelée « méridien ». C’est la ligne que le Soleil rencontre apparemment lorsqu’il est midi, heure locale. Le point d’origine de cette coordonnée est le premier méridien. Il passe par Greenwich, où se trouve l’Observatoire royal britannique. À partir de ce point précis, les longitudes vont de 0° à ±180°.

Exemple : Heidelberg (Allemagne) se trouve à 49,4° nord et 8,7° est.

Élévation du pôle (hauteur du pôle)

Figure 3 : Traînées d’étoiles dans le ciel après une durée d’exposition d’environ 2 heures (Crédit : Ralph Arvesen, Live Oak star trails, https://www.flickr.com/photos/rarvesen/9494908143, https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/legalcode).

Si nous projetons le système de coordonnées terrestre des latitudes et des longitudes dans le ciel, nous obtenons le système de coordonnées équatorial céleste. L’équateur terrestre devient l’équateur céleste, et les pôles géographiques sont extrapolés afin de devenir les pôles célestes. Si nous devions prendre une photo du ciel septentrional avec une longue exposition, nous verrions d’après leurs traînées que les étoiles tournent toutes autour d’un même point : le pôle nord céleste (Figure 3).

Figure 4 : Configuration des deux constellations Ursa Major (Grande Ourse) et Ursa Minor (Petite Ourse) dans le ciel septentrional. L’étoile Polaire, ou étoile du Nord, proche du véritable pôle nord céleste, est l’étoile la plus brillante d’Ursa Minor (Crédit : Bonč, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ursa_Major_-_Ursa_Minor_-_Polaris.jpg, “Ursa Major – Ursa Minor – Polaris”, d’après https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ursa_Major_and_Ursa_Minor_Constellations.jpg, couleurs inversées par Markus Nielbock, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode).

Dans l’hémisphère Nord, une étoile brille modérément à proximité du pôle céleste : il s’agit de l’étoile du Nord, ou étoile Polaire. C’est l’étoile la plus brillante de la constellation de la Petite Ourse, Ursa Minor (Figure 4). De nos jours, l’étoile Polaire se trouve à moins d’un degré du pôle. Mais il y a 1 000 ans, elle était à 8° du pôle. Par conséquent, nous pouvons l’utiliser aujourd’hui pour identifier le pôle nord céleste. Au pôle sud céleste, aucune étoile de ce type ne peut être observée à l’œil nu. Il faut utiliser d’autres méthodes pour le trouver.

Si nous nous tenions exactement au pôle nord géographique, l’étoile Polaire se trouverait juste au-dessus de nos têtes. Nous pouvons dire que son élévation sera de 90° (environ). Ces informations permettent d’introduire le système de coordonnées horizontal (Figure 5). C’est la référence naturelle que nous utilisons au quotidien. En tant qu’observateurs, nous sommes le point d’origine de ce système de coordonnées situé sur un plan plat, et dont la périphérie est l’horizon. On imagine alors le ciel comme un hémisphère qui se trouve juste au-dessus de nous. L’angle entre un objet dans le ciel et l’horizon correspond à l’altitude, ou élévation. La direction au sein du plan est donnée sous la forme d’un angle compris entre 0° et 360°, l’azimut, qui part généralement du nord et va dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. En navigation, on l’appelle également « position ». Le méridien désigne la ligne qui relie les pôles nord et sud au niveau de l’horizon, et passe par le zénith.

Figure 5 : Illustration d’un système de coordonnées horizontal. L’observateur représente le point d’origine des coordonnées attribuées en tant qu’azimut et altitude, ou élévation (Crédit : TWCarlson, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Azimuth-Altitude_schematic.svg, „Azimuth-Altitude schematic“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode).

Pour n’importe quelle position sur Terre, le pôle céleste ou l’étoile Polaire apparaît à une élévation inférieure à 90°. Au niveau de l’équateur, l’étoile Polaire frôle l’horizon : son élévation est presque de 0°. La corrélation entre la latitude (pôle nord = 90°, équateur = 0°) et l’élévation de l’étoile Polaire n’est pas anodine. La Figure 6 combine les trois systèmes de coordonnées mentionnés. Pour un observateur donné, à n’importe quelle latitude sur Terre, le système de coordonnées horizontal local rejoint le système de coordonnées polaire sphérique terrestre au niveau d’un point tangent unique. Le graphique montre que l’élévation du pôle nord céleste, aussi appelée « hauteur du pôle », est exactement égale à la latitude nord de l’observateur sur Terre.

Figure 6 : La combinaison de ces trois systèmes de coordonnées (sphérique terrestre, équatorial céleste et horizontal local) montre que l’observateur se trouve exactement au niveau de l’élévation du pôle céleste, aussi appelée « hauteur du pôle » (Crédit : M. Nielbock, travaux personnels).

Par conséquent, si nous mesurons l’élévation de l’étoile Polaire, nous pouvons déterminer notre latitude sur Terre avec une précision acceptable.

Étoiles et constellations circumpolaires

Dans les temps anciens, par exemple à l’âge du bronze, l’étoile Polaire ne pouvait pas être utilisée pour indiquer le nord. Compte tenu de la précession de l’axe de la Terre, elle se trouvait en effet à environ 30° du pôle nord céleste en 3500 avant Jésus-Christ. L’étoile Thuban (α Draconis) était bien plus appropriée, car elle ne se trouvait qu’à 4° du pôle nord céleste. Mais elle brillait beaucoup moins que l’étoile Polaire et n’était peut-être pas toujours visible à l’œil nu.

Figure 7 : Cartes du ciel de la région du pôle nord céleste en 2750 avant Jésus-Christ et en 2016 après Jésus-Christ (travaux personnels, créés sur XEphem 3.7.6 par Elwood C. Downey et diffusés par Clear Sky Institute Inc., Solon, Iowa (États-Unis), http://www.xephem.com).

Dans le ciel nocturne, certaines étoiles figurant dans un rayon défini autour des pôles célestes ne se couchent jamais : elles sont circumpolaires (voir Figure 3). Les navigateurs étaient assez compétents pour déterminer la véritable position du pôle céleste en observant les étoiles qui entouraient le pôle. Et il en va de même pour le pôle sud céleste.

Lorsqu’ils naviguaient vers le nord ou vers le sud, les marins constataient que la modification de l’élévation du pôle céleste allait de pair avec la modification de la répartition circumpolaire. Par conséquent, lorsque les navigateurs voyaient la même étoile ou la même constellation à son point culminant (c’est-à-dire passant par le méridien) à la même élévation, ils conservaient la même « latitude ». Bien que, dans l’Antiquité grecque, les érudits aient connu le concept de latitude d’une Terre sphérique, la majorité des marins l’ignorait sans doute. Ces derniers avaient simplement conscience du rapport entre l’élévation des étoiles et leur propre cap. Les navigateurs des temps anciens connaissaient parfaitement le ciel nocturne. Ils utilisaient les positions relatives des constellations pour déterminer leur latitude.

Premières expériences de navigation en Méditerranée

La navigation à l’aide des objets célestes a été utilisée bien avant que les humains n’aient décidé de parcourir la Terre. Aujourd’hui, nous savons que de nombreux animaux trouvent leur chemin en se servant du ciel diurne ou nocturne. Les abeilles et les papillons monarques s’orientent à l’aide du Soleil (Sauman et al., 2005), tout comme les étourneaux (Kramer, 1952). Encore plus impressionnants, les oiseaux (Emlen, 1970 ; Lockley, 1967 ; Sauer, 1958) et les phoques (Mauck, Gläser, Schlosser et Dehnhardt, 2008) sont capables d’identifier la position des étoiles pendant la nuit pour s’orienter. Or, dans notre civilisation moderne où les villes sont illuminées de manière excessive, les lumières puissantes peuvent être prises pour des objets célestes. Par exemple, les papillons se servent de la Lune pour s’orienter, mais s’ils la confondent avec un lampadaire, ils

peuvent tourner autour de ce dernier jusqu’à mourir d’épuisement (Stevenson, 2008). C’est pourquoi la pollution lumineuse est une menace sérieuse pour un grand nombre d’animaux. L’ampleur du problème est illustrée dans la Figure 8.

Figure 8 : Vue nocturne de la péninsule Ibérique à partir de la Station spatiale internationale (Crédit : avec la permission de la Earth Science and Remote Sensing Unit, NASA Johnson Space Center, mission ISS040-E-081320 (26 juillet 2014), http://eol.jsc.nasa.gov/SearchPhotos/photo.pl?mission=ISS040&roll=E&frame=081320).

Il y a 50 000 ans environ, les aborigènes australiens figuraient parmi les premiers humains à naviguer en pleine mer (Hiscock, 2013). Les plus anciennes traces de navigation en Méditerranée remontent à 7000 avant Jésus-Christ (Hertel, 1990), grâce à des bateaux ou de petites embarcations à rames. Les marins longeaient les côtes dont les points de repère leur permettaient de rejoindre la destination souhaitée. Pour parcourir des distances plus grandes, il fallait un mécanisme de propulsion indépendant de la force musculaire. La voile a donc été l’une des inventions les plus importantes dans l’histoire de l’humanité, au même titre que la roue. Vers le milieu du IVe millénaire avant Jésus-Christ, des navires égyptiens parcouraient l’est de la Méditerranée (Bohn, 2011) et établissaient des routes commerciales avec Byblos en Phénicie, la Canaan biblique, aujourd’hui appelée Liban. C’est à cette époque que l’âge du bronze a commencé. L’étain était un élément important de l’âge du bronze, et les mines d’étain dans les régions centrales et occidentales de l’Europe ont fait naître un commerce à grande échelle (Penhallurick, 1986). Le transport sur de longues distances en mer Méditerranée, et ailleurs, était réalisé par bateau.

Figure 9 : Carte de la diffusion de la métallurgie. Les mines d’étain de l’âge du bronze se trouvaient principalement sur la côte atlantique européenne (Crédit : User:Hamelin de Guettelet, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Metallurgical_diffusion.png, domaine public).

Rapidement, les navigateurs se sont rendu compte que les objets célestes, et notamment les étoiles, pouvaient servir à maintenir le cap d’un bateau. Ces compétences ont été mentionnées dans des œuvres littéraires anciennes, comme L’Odyssée d’Homère, qui remonte sans doute au VIIIe siècle avant Jésus-Christ. Les premières sources viennent probablement de l’âge du bronze, pendant lequel le peuple minoen de Crète était très influent. Ce peuple a vécu entre 3650 et 1450 avant Jésus-Christ dans le nord de la région méditerranéenne et il a navigué sur la mer Égée. Étant donné qu’un grand nombre de bâtiments sacrés étaient alignés sur les points cardinaux et les phénomènes astronomiques, comme le lever du Soleil et les équinoxes (Henriksson et Blomberg, 2008, 2009), il est logique de penser qu’il utilisait aussi ces connaissances en navigation (Blomberg et Henriksson, 1999). Les Minoens voyageaient vers l’île de Théra et l’Égypte, ce qui leur amenait sans doute à passer plusieurs jours en pleine mer.

Figure 10 : Carte de la Crète indiquant d’anciens sites minoens au début du IIe millénaire avant Jésus-Christ (Crédit : Eric Gaba (Sting), https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crete_integrated_map-en.svg, annotations en rouge par Markus Nielbock, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode).

Le poète grec Aratos de Soles a publié ses Phénomènes vers 275 avant Jésus-Christ (Aratus, Callimachus et Lycophron, 1921). Il y décrit en détail les positions des constellations et l’ordre dans lequel elles se levaient et se couchaient. Ces informations étaient vitales pour tout navigateur souhaitant s’orienter. Il lui suffisait de diriger son navire vers une position spécifique et de conserver ce cap en s’aidant des constellations qui apparaissaient. L’azimut d’une étoile donnée à son lever ou à son coucher reste constant tout au long de l’année, si l’on excepte une légère variation sur 26 000 ans causée par la précession de l’axe de la Terre. Il est intéressant de noter que les positions définies par Aratos ne correspondent pas à l’âge du bronze final et ni premier âge du fer, mais à l’ère du règne minoen (Blomberg et Henriksson, 1999) environ 2 000 ans plus tôt.

Vers 1200 avant Jésus-Christ, les Phéniciens dominaient la région méditerranéenne. Ils avaient établi des colonies tout au long des côtes sud et ouest de la Méditerranée, et au-delà. Parmi elles se trouvait la colonie de Gadès (aujourd’hui Cadix), juste à l’extérieur du détroit de Gibraltar, qui servait de comptoir de commerce pour les biens et les ressources du nord de l’Europe (Cunliffe, 2003 ; Hertel, 1990). Plusieurs voyages documentés à travers l’océan Atlantique indiquent qu’ils ont navigué jusqu’en Grande-Bretagne et sur plusieurs centaines de kilomètres au sud, le long de la côte africaine (Johnson et Nurminen, 2009).

Figure 11 : Ciel nocturne de navigation entre la Crète et Alexandrie le 22 septembre 2000 avant Jésus-Christ à 21h30 UT (Crédit : travaux personnels, créés sur Stellarium, logiciel gratuit sous licence GNU GPL, d’après Blomberg et Henriksson (1999), Fig. 9).

L’historien grec Hérodote (environ 484-420 avant Jésus-Christ) rapporte une expédition phénicienne financée par le pharaon égyptien Nékao II (610-595 avant Jésus-Christ). Cette expédition partait de la mer Rouge, faisait le tour de l’Afrique et revenait en Égypte par la mer Méditerranée (Bohn, 2011 ; Hertel, 1990 ; Johnson et Nurminen, 2009). Les marins ont apparemment raconté que le Soleil se trouvait parfois au nord (Cunliffe, 2003), ce qui est normal après la traversée de l’équateur vers le sud. Toutes ces informations plaident en faveur de compétences de navigation exceptionnelles. Après que les Perses ont conquis les terres phéniciennes en 539 avant Jésus-Christ, leur influence a décliné, mais elle a été rétablie par les descendants de leurs colonies, les Carthaginois.

Figure 12 : Routes de commerce des Phéniciens pendant l’âge du bronze européen (Crédit : DooFi, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PhoenicianTrade_EN.svg, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode ).

Pythéas

Un long voyage remarquable et très bien documenté a été décrit par des auteurs et des savants de l’Antiquité tels que Strabon, Pline et Diodore de Sicile. Il s’agit du voyage de Pythéas (environ 380-310 avant Jésus-Christ). Cet astronome, géographe et explorateur grec originaire de Massalia aurait, vers 320 avant Jésus-Christ, quitté la mer Méditerranée et navigué vers le nord le long de la côte ouest européenne, et ce, jusqu’aux îles Britanniques et au-delà du cercle arctique. Au cours de ce voyage, il aurait atteint l’Islande ou les îles Féroé, qu’il appela Thulé (Baker et Baker, 1997 ; Cunliffe, 2003 ; Hergt, 1893).

Massalia (ou Massilia), nom que portait Marseille à l’époque, a été fondée par les Grecs phocéens vers 600 avant Jésus-Christ. Elle est rapidement devenue le plus grand et le plus riche des avant-postes grecs dans l’ouest du bassin Méditerranéen, forte de relations commerciales étroites avec les tribus celtes qui occupaient la majeure partie de l’Europe (Cunliffe, 2003). Pythéas est né pendant l’âge du bronze final, alors que le commerce avec les régions d’Europe du Nord était florissant. La géographie grecque offrait peu d’informations sur cette partie du monde, à l’exception des histoires de barbares qui y vivaient, extrayaient le minerai d’étain et livraient l’ambre précieuse que toute la Méditerranée s’arrachait. C’est peut-être par simple curiosité que Pythéas a choisi d’explorer ces contrées.

Figure 13 : Statue de Pythéas, érigée au Palais de la Bourse à Marseille en l’honneur de ses découvertes (Crédit : Rvalette, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pythéas.jpg, „Pythéas“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode).

Ce voyage a marqué l’histoire, car Pythéas était un scientifique et un grand observateur. Il a utilisé un gnomon ou un cadran solaire pour déterminer sa latitude et mesurer le temps au cours de son voyage (Nansen, 1911). Il a remarqué qu’en été, le Soleil brillait plus longtemps aux plus hautes latitudes. Et il a été le premier à établir un lien entre les marées, pratiquement absentes en Méditerranée, et les phases de la Lune (Roller, 2006).

Figure 14 : Voyage de Pythéas de Massalia selon Cunliffe (2003) (Crédit : ESA/Cunliffe, http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2005/09/The_journey_of_Pytheas, http://www.esa.int/spaceinimages/ESA_Multimedia/Copyright_Notice_Images).

Introduction

Il serait intéressant d’intégrer l’activité dans un contexte plus général de navigation (géographie, histoire, littérature, etc.).

Conseil : Cette activité peut être associée à d’autres formes d’acquisition des connaissances, comme un exposé oral en histoire, en littérature ou en géographie, dédié au thème de la navigation. Cela préparerait le terrain de manière bien plus interactive qu’une simple synthèse des faits réalisée par un enseignant.

Il est possible de présenter aux élèves des documentaires captivants sur l’exploration maritime. Pour introduire le sujet de la navigation astronomique en général et chez les premiers navigateurs, montrez aux élèves les vidéos suivantes. Les trois premières sont en anglais. Elles peuvent être visionnées en corrélation avec les cours d’anglais de l’établissement. Il est aussi possible d’établir un lien entre la dernière vidéo et les cours de littérature ou d’histoire au travers de la lecture de Pythéas le grec découvre l’Europe du Nord, de B. Cunliffe.

Episode 2: Celestial Navigation (Durée : 4:39)

https://www.youtube.com/watch?v=DoOuSo9qElI

How did early Sailors navigate the Oceans? | The Curious Engineer (Durée : 6:20)

https://www.youtube.com/watch?v=4DlNhbkPiYY

World Explorers in 10 Minutes (Durée : 9:59)

https://www.youtube.com/watch?v=iUkOfzhvMMs

Il était une fois… Les explorateurs : Les premiers navigateurs (Durée : 25:15)

https://youtu.be/hCFnt3xpc5A

Pythéas, un Massaliote méconnu (durée : 9:57)

https://www.youtube.com/watch?v=knBNHbbu-ao

Demandez aux élèves s’ils savent depuis combien de temps les humains utilisent des bateaux pour traverser les océans. L’un d’entre eux peut évoquer la migration de l’Homo sapiens vers les îles et les continents isolés, comme l’Australie.

Réponses possibles :

Nous sommes certains que des bateaux ont été utilisés pour parcourir de grandes distances depuis au moins 3000 avant Jésus-Christ. Cependant, les premiers colons de l’Australie ont dû trouver un moyen de traverser les océans vers 50000 avant Jésus-Christ.

Demandez-leur ce que l’exploration maritime a pu apporter. Certains élèves ont peut-être déjà des connaissances historiques ou entendu parler de marins célèbres. L’enseignant peut étayer cette réponse à l’aide de quelques histoires d’anciens navigateurs, notamment en Méditerranée.

Réponses possibles :

Recherche de nouvelles ressources et de nourriture, commerce, esprit d’exploration, curiosité.

Demandez aux élèves comment ils retrouvent leur chemin pour l’école chaque jour. Qu’est-ce qui corrobore leur sens de l’orientation et les empêche de se perdre ? Lorsque les points de référence (bâtiments, feux de circulation, arrêts de bus, etc.) sont mentionnés, demandez aux élèves comment les navigateurs pouvaient s’orienter en mer. Dans les temps anciens, ils se dirigeaient en utilisant des points de repère facilement identifiables. Mais pour ce faire, les navires devaient rester près des côtes. Les phares ont amélioré la situation. La boussole magnétique a été inventée assez tard, vers le XIe siècle après Jésus-Christ, et elle n’est pas arrivée en Europe avant le XIIIe siècle. Mais que pouvait-on utiliser comme point de référence en pleine mer ? Il est possible que les élèves citent des objets célestes comme le Soleil, la Lune et les étoiles.

Suggestions de questions complémentaires, notamment après le visionnage des vidéos de présentation

Q : Qui était Pythéas ?

R : C’était un scientifique et un explorateur de la Grèce antique.

Q : Où et quand a-t-il vécu ?

R : Il a vécu au IVe siècle avant Jésus-Christ, pendant l’âge du bronze final, à Massalia, aujourd’hui appelée Marseille.

Q : Où a-t-il voyagé ?

R : Pythéas a voyagé en direction du nord le long de la côte atlantique européenne, jusqu’en Grande-Bretagne et probablement jusqu’au cercle arctique et en Islande.

Q : Qu’a-t-il observé et découvert au cours de son voyage ?

R : Il a été le premier Grec à aller si loin vers le nord. Il a constaté que la longueur du jour dépendait de la latitude. Il a aussi été le premier à faire le lien entre les marées et les phases de la Lune.

Activité 1 : Constellations et étoiles circumpolaires

Matériel nécessaire :

• Fiches de travail

• Compas

• Crayon

• Règle

• Calculatrice

En l’absence d’étoile brillante au niveau des pôles célestes, les anciens navigateurs étaient capables de trouver les pôles célestes en observant quelques étoiles circumpolaires. Ces navigateurs étaient assez expérimentés pour déterminer le véritable nord en identifiant la position relative de ces étoiles et leur mouvement autour des pôles.

Ils utilisaient aussi les constellations et les étoiles circumpolaires pour définir leur latitude. Ces objets ne se lèvent et ne se couchent jamais : ils sont toujours au-dessus de l’horizon. Si aujourd’hui il nous suffit de mesurer l’élévation de l’étoile Polaire au-dessus de l’horizon, cette étoile était trop éloignée du pôle nord céleste pour les anciens navigateurs. Et dans l’hémisphère Sud, aucune étoile ne peut de toute façon fournir une telle information. Donc au lieu de mesurer l’élévation de l’étoile Polaire, ils observaient les étoiles et les constellations qui restaient visibles au-dessus de l’horizon lorsqu’elles atteignaient leur point d’élévation le plus bas au-dessus de l’horizon (point culminant le plus bas) pendant leur orbite apparente autour du pôle céleste.

Montrez aux élèves les deux vidéos suivantes afin d’illustrer le phénomène des étoiles et constellations circumpolaires à deux positions données sur Terre. Elles présentent une simulation de la rotation apparente journalière du ciel autour du pôle nord céleste.

CircumpolarStars Heidelberg 49degN (Durée : 0:57)

https://youtu.be/uzeey9VPA48

CircumpolarStars Habana 23degN (Durée : 0:49)

https://youtu.be/zggfQC_d7UQ

Les élèves remarqueront les points suivants :

1. Certaines étoiles et constellations ne se couchent jamais. Ce sont les étoiles et les constellations circumpolaires.

2. L’angle entre le pôle céleste (étoile Polaire) et l’horizon dépend de la latitude où se trouve l’observateur. En fait, ces angles sont identiques.

3. La région circumpolaire dépend de la latitude où se trouve l’observateur. Elle est plus étendue pour les positions situées à proximité du pôle.

Si les élèves savent utiliser un planisphère, ils peuvent étudier le même phénomène en regardant les deux vidéos suivantes.

CircumPolarStars phi N20 (Durée : 0:37)

https://youtu.be/Uv-xcdqhV00

CircumPolarStars phi N45 (Durée : 0:37)

https://youtu.be/VZ6RmdzbpPw

Ces vidéos présentent la rotation du ciel à 20° et 45° de latitude. La zone transparente révèle le ciel visible pour un point donné dans le temps. Le cercle en pointillé définit la région des étoiles et des constellations circumpolaires.

Questions

Q : Quelles sont les spécificités des pôles nord et sud terrestres par rapport aux autres emplacements ?

R : Ils définissent l’axe de rotation de la Terre.

Q : Comment pouvez-vous trouver le nord et les autres points cardinaux sans boussole ?

R : Les corps célestes, comme les étoiles du type de l’étoile Polaire, indiquent le pôle nord céleste.

Q : Pourquoi l’étoile du Nord (étoile Polaire) indique-t-elle le nord ?

R : De nos jours, l’étoile Polaire est proche du pôle nord céleste.

Q : Où dans le ciel trouveriez-vous le pôle nord/sud céleste si vous vous teniez exactement au niveau du pôle nord/sud terrestre ?

R : Au zénith, c’est-à-dire juste au-dessus de nous.

Q : En quoi cette position changerait-elle si vous vous dirigiez vers l’équateur ?

R : Son élévation déclinerait du zénith vers l’horizon.

Q : Que sont les constellations circumpolaires ?

R : Ce sont des constellations qui tournent autour de l’un des pôles célestes sans jamais se lever ni se coucher. Elles sont toujours au-dessus de l’horizon.

Q : Quelles constellations visibles seraient circumpolaires si vous vous teniez au niveau du pôle nord/sud

R : L’ensemble de l’hémisphère Nord/Sud (pôles). Aucune à l’équateur.

Q : Si l’étoile du Nord n’était pas visible, comment pourriez-vous déterminer votre latitude ?

R : Étant donné que les étoiles et les constellations circumpolaires dépendent de la latitude, tout comme l’élévation de l’étoile Polaire, celles qui restent toujours au-dessus de l’horizon m’indiqueraient ma position.

Exercice

L’exercice consiste à suivre les traces d’un navigateur qui a vécu il y a environ 5 000 ans. En se servant de ces compétences, les élèves identifieront les constellations circumpolaires après une observation à partir de positions spécifiques sur Terre.

Le tableau ci-dessous contient les noms de six villes ainsi que leurs latitudes. Les valeurs négatives indiquent les latitudes sud. La septième ligne est vide : les élèves peuvent y ajouter les informations relatives à leur propre ville. En s’appuyant sur ces données, ils devront calculer les rayons angulaires à partir du pôle céleste. Le calcul est simple : il est le même que celui de la hauteur du pôle et de la latitude : φ=ϱ

Ils peuvent ensuite choisir la carte correspondant à l’hémisphère concerné. Les élèves utilisent un compas pour tracer des cercles des rayons définis autour du pôle correspondant. Les constellations situées à l’intérieur du cercle sont circumpolaires. Les constellations entièrement ou partiellement visibles pour une ville donnée sont ajoutées au tableau.

Les solutions possibles sont ajoutées en italique. Le tableau de cet exercice se trouve dans la fiche de travail.

Instructions détaillées

1. Déterminez l’échelle de la carte. L’échelle angulaire est de 90° des pôles au cercle externe, c’est-à-dire l’équateur céleste.

2. Convertissez les latitudes du tableau en rayons à l’échelle des cartes et ajoutez-les au tableau.

3. Pour chaque ville :

i. Sélectionnez la carte qui convient.

i. Utilisez le compas afin de tracer un cercle dont le rayon a été déterminé pour cette ville.

i. Recherchez et notez toutes les constellations circumpolaires visibles. S’il y en a trop, sélectionnez les plus grandes.

Figure 15 : Cartes du ciel de l’hémisphère Nord et de l’hémisphère Sud (Crédit : Markus Nielbock, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NorthernCelestialHemisphere.png, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SouthernCelestialHemisphere.png, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode, créés avec PP3, http://pp3.sourceforge.net).

Discussion

Dans les temps anciens, l’étoile Polaire ne coïncidait pas avec le pôle nord céleste. Expliquez l’importance des étoiles et des constellations circumpolaires pour les premiers navigateurs.

*Résultat possible :

Elles représentaient un excellent outil pour maintenir la latitude et elles empêchaient les navigateurs de se perdre en pleine mer.

Solutions

L’échelle de la carte est : 1 cm 10°

Ciel au nord

Ciel au sud

Activité 2 : Les étoiles montrent le chemin

Matériel nécessaire :

• Fiche de travail

• Crayon

• Rapporteur

• Ordinateur équipé de MS Excel

• Feuille de calcul Excel : AncientMediterranean_BrightStars_EUSPACE-AWE_Navigation.xlsx

En l’absence d’une étoile telle que l’étoile Polaire pour indiquer le pôle céleste, les anciens navigateurs utilisaient d’autres étoiles et d’autres constellations afin de déterminer les points cardinaux et le cap de leur bateau. Ils se sont rendu compte que les positions où elles apparaissent et

disparaissent à l’horizon ne changent pas. Les navigateurs expérimentés connaissaient par cœur l’emplacement des étoiles et des constellations les plus brillantes.

Figure 16 : Positions d’étoiles brillantes qui se lèvent à 45° de latitude et 10° d’élévation au-dessus de l’horizon (travaux personnels).

Questions

Q : Pouvez-vous déterminer les points cardinaux à partir d’autres étoiles que l’étoile Polaire ? Remarque : cette étoile n’apparaît pas au pôle sud.

R : Oui. Si vous connaissez les étoiles et les constellations, elles peuvent vous montrer le chemin, car elles reviennent à la même position jour après jour.

Q : Comment pouvez-vous utiliser le lever et le coucher des étoiles et des constellations pour vous orienter en mer ?

R : La position à l’horizon au lever et au coucher des étoiles ne change pas (à l’exception d’une variation sur le très long terme).

Q : Pouvez-vous voir les mêmes étoiles chaque nuit tout au long de l’année ?

R : Non, l’heure du lever et du coucher des étoiles change. Les étoiles visibles pendant les nuits d’hiver sont levées pendant les journées d’été.

Exercice

Les élèves créeront une boussole stellaire identique à celle de la Figure 16. Les calculs requis pour convertir les coordonnées célestes des étoiles en coordonnées horizontales, à savoir l’azimut et l’élévation, sont assez complexes. C’est pourquoi un fichier Excel automatisant ces calculs est fourni avec l’activité. Il recense 57 étoiles brillantes ainsi que les Pléiades, un groupe d’étoiles très important.

Il suffit aux élèves de saisir la latitude de leur position et l’élévation des étoiles dans la ligne correspondante au bas de la feuille de calcul. Pour l’élévation, 10° est une valeur appropriée. Cela signifie que les élèves obtiendront les azimuts des étoiles observées à une élévation de 10°. Il est possible d’utiliser d’autres valeurs, mais cet exercice est destiné à trouver les étoiles qui viennent de se lever ou de se coucher. L’azimut désigne un angle qui commence le long de l’horizon et va vers le nord dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Les deux dernières colonnes (AZ1, AZ2) affichent deux azimuts : l’un lorsque l’étoile se lève et l’autre lorsque l’étoile se couche. La répartition des azimuts des étoiles qui se lèvent et se couchent se fait de manière symétrique par rapport au méridien, c’est-à-dire par rapport à la ligne qui relie le nord et le sud. Les cellules qui indiquent #NA ne contiennent pas de nombres valides. Ces étoiles ne se lèvent ou ne se couchent jamais. Elles sont circumpolaires ou se trouvent au-dessous de l’horizon.

Les élèves utilisent ces valeurs pour créer la boussole stellaire ci-dessous. Ils se servent d’un rapporteur et indiquent la position de chaque étoile sur le cercle. Puis ils ajoutent le nom des étoiles.

Discussion

L’une des méthodes de navigation utilisées dans l’ancien bassin Méditerranéen consistait à rester près des côtes. Outre le danger lié aux faibles profondeurs, expliquez pourquoi les marins de l’âge du bronze ont dû développer des méthodes leur permettant de naviguer en toute sécurité en pleine mer. Vous pouvez consulter une carte de la mer Méditerranée.

Réponses possibles :

Les peuples anciens se rendaient sur les îles pour le commerce ou d’autres raisons. Beaucoup de ces îles n’étaient pas visibles à partir des côtes méditerranéennes. Les voyages duraient souvent plus de quelques heures. Les embarcations à cette époque pouvaient couvrir cinq milles nautiques par heure en moyenne. Certains récits qui nous sont parvenus expliquent également la navigation astronomique.

Activité 3 : À vous de jouer ! (Facultatif)

Matériel nécessaire :

• Résultats des activités précédentes

• Lampe rouge portable (lampe-torche émettant une lumière tamisée ou lampe-torche recouverte d’un filtre rouge)

• Boussole magnétique si possible

La meilleure manière d’apprendre consiste à mettre en application les connaissances acquises et utilisées de façon théorique dans des conditions réelles. Les résultats des deux activités précédentes peuvent donc être testés sur le terrain à l’occasion d’une observation du ciel nocturne.

Cette activité peut être réalisée par les élèves eux-mêmes chez eux ou lors d’un événement de groupe rassemblant toute la classe.

Choisissez une soirée au ciel dégagé et un site offrant un bon point de vue sur l’horizon. Une fois qu’il fait assez noir pour que les étoiles soient visibles, demandez aux élèves d’utiliser leurs lampes pour consulter les cartes présentant les répartitions circumpolaires (activité 1). Une lampe émettant une lumière tamisée, ou encore mieux une lumière rouge, aide les yeux à s’adapter à l’obscurité.

Une fois qu’ils ont identifié les étoiles les plus brillantes, demandez aux élèves d’utiliser leur boussole stellaire (activité 2). Les élèves doivent pointer les repères d’une ou plusieurs étoiles vers les étoiles dans le ciel. Demandez-leur d’identifier le nord (ou le sud, selon le pôle céleste visible là où vous vous trouvez). Si vous êtes dans l’hémisphère Nord, cela correspond-il à la direction de l’étoile Polaire, ou étoile du Nord ? Si vous êtes dans l’hémisphère Sud, vous aurez peut-être besoin d’une boussole magnétique.

Invitez les élèves à identifier sur leurs cartes les constellations observées dans le ciel. Demandez-leur de regarder vers le nord (ou le sud dans l’hémisphère Sud) et de nommer les étoiles et les constellations situées juste au-dessus de l’horizon. Cela coïncide-t-il avec les cartes ? Un cercle doit indiquer la répartition circumpolaire pour la latitude locale.

Essayez de mettre en avant le fait que cette activité leur permet de travailler comme les navigateurs qui vivaient il y a plus de 4 000 ans.

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Navigation through the ages, coordinate systems, celestial navigation