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Cadrans solaires de navigation ou compas solaires

Un cadran solaire donne l'heure à partir de sa position et de son orientation.
Un compas solaire permet un usage inverse. Il détermine une direction à partir de la position et de l'heure. Cette fonction a été remise à l'honneur pendant la Seconde Guerre mondiale en Afrique : un tel instrument remplace la boussole quand celle-ci est perturbée par des masses métalliques ou lorsque la déclinaison magnétique n'est pas connue.


Compas solaire des Vikings

En 1948, un petit fragment de bois a été découvert dans le fjord Uunartoq au Groenland. Ce fragment retrouvé est une moitié de disque, avec un trou central et qui a des encoches régulières autour de son bord. Il est conservé au Danish National Museum à Copenhague.
Il s'agit d'un compas solaire rudimentaire de 70 mm de diamètre, 10 mm d'épaisseur avec un trou central de 17mm. Cet instrument était utilisé par les Vikings pour s'orienter en mer.
Principe de fonctionnement :
On prend un petit disque en bois avec un axe dressé en son centre.
On le place de niveau puis on procède à son "calibrage" la journée précédant le voyage en mer. Cette tache consiste à marquer, à intervalles réguliers, l'extrémité de l'ombre du gnomon. En joignant ces points, on obtient un arc de courbe (hyperbole) qui correspond à la hauteur du soleil pour la date et la latitude.
La direction Nord est obtenue en traçant la ligne partant du centre du gnomon, au point sur l'arc qui en est le plus proche. On peut ensuite marquer le reste des 32 points d'une boussole.
Le jour du voyage, on fait tourner le disque jusqu'à ce que l'ombre de la pointe tombe sur l'hyperbole.
Limites :
Cette méthode a cependant ses limites, la déclinaison du soleil varie et la courbe se modifie. La déclinaison varie peu autour du solstice d'été, une courbe définie à ce moment reste suffisamment précise pour s'orienter durant une quinzaine de jours. Même si la courbe est légèrement fausse, l'erreur commise le matin sera compensée par celle de l'après-midi .


Skógar : Musée
compas solaire ou cadran de navigation avec schémas explicatifs

Cercles de Lambert

En 1701, le mathématicien Antoine Parent exposa dans un mémoire adressé à l'Académie des Sciences la possibilité de construire sur la base du cadran solaire analemmatique un instrument universel de la mesure du temps (2).
Ce cadran a été redécouvert en 1770 par Jean-Henri Lambert et de nouveau oublié.
On trouvera des descriptions et démonstrations complète proposées par R.J. Rohr (2) ou J.P. Cornec (6).
"Le compas solaire est ainsi constitué d'un plus ou moins grand nombre d'ellipses correspondant aux latitudes où il sera utilisé. Elles sont par exemple espacées de 3 en 3 degrés, utilisables pour les latitudes nord et sud ou seulement nord. Généralement en pratique, plutôt que de déplacer le style, celui-ci est fixe : c'est l'ensemble des ellipses qui est translaté pour régler le compas suivant le jour. Son usage est simple. On suppose d'abord connue la zone géographique où l'on se trouve, caractérisée par une latitude et une longitude, même approximatives. La latitude va déterminer l'ellipse qui sera utilisée. La longitude va permettre de trouver l'heure solaire du moment, à partir de la connaissance de l'heure UTC, et de la valeur de l'Equation du Temps pour le jour. Il suffit alors d'orienter le compas jusqu'à ce que l'ombre du style indique l'heure solaire du moment sur l'ellipse de la latitude du lieu. Le petit axe des ellipses indiquera alors la direction du méridien local. Si le compas est destiné à régir la marche d'un véhicule, une échelle circulaire périphérique permet de repérer le cap à suivre. et donc d'orienter le compas de sorte que, au fur et à mesure que le véhicule se déplace, l'ombre du style continue d'indiquer l'heure solaire. Bien sûr des ajustements périodiques sont nécessaires à intervalles de temps réguliers." (6)


Sur les graphiques suivants, sont tracés : les cercles de déclinaison (en orange), les ellipses des latitudes (en vert) et les hyperboles des lignes horaires (en violet).
Les intersections d'un cercle de déclinaison et d'une ellipse de latitude fournissent les heures des levers et couchers du soleil.

Latitude = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 66.65°
Déclinaison = 5, 10, 15, 20, 23.45°
Latitude = 48°
Déclinaison = 12°
Latitude = 48°
Déclinaison = 23.45°
(Solstice d'été)
On peut obtenir d'autres tracés pour des couples (Latitude, Déclinaison) différents.

Divers compas solaires à usage militaire

Avant son usage par l'armée dans le désert nord-africain durant la seconde guerre mondiale, l'expérimentation du compas solaire comme aide à la navigation remonte aux années 1930.
Au cours d'une expédition en 1929 dans le désert d'Egypte, Bagnold constate que l'utilisation de la boussole magnétique est difficile en raison de l'influence du magnétisme causé par la structure métallique des véhicules. Il perfectionne un compas solaire pour sa prochaine expédition en 1930.
Lorsque Bagnold a fondé le Long Range Desert Group en 1940, son "Sun Compass" ou compas solaire est devenu l'instrument standard de navigation de l'armée britanique dans le désert.

Compas solaires et navigation terrestre : site de F. Pineau
On y trouvera la description et le fonctionnement des différents modèles de compas solaires.

Modèle "Cole"
"Cole Universal Sun Compass"
(Applet simulation)


modèle "Howard" (proposé à la vente sur ebay ~80 €)
Ce type de modèle était toujours en service, au début des années 90 dans l'armée britannique.


modèle "Abrams", fabriqué par la société américaine
Abrams Instrument à Lansing (Michigan USA)
Ce modèle équipait les bombardiers "B24 Liberator". En cas de crash, les rescapés pouvaient se repérer dans le désert.

Autres usages des compas solaires

Un compas solaire a été utilisé lors des expéditions "Berliet" dans les années 1960 dans le Sahara. (8)

Une publicité parue dans le magazine Géo n° 181 de mars 1994 (4), montre un compas solaire près d'un bâteau avec pour slogan "une Rolex ne donne pas seulement l'heure"
et comme texte "Ma Rolex a fonctionné sans défaillance. Utilisée avec le compas solaire, elle a permis une orientation à l'estime, dernier recours en matière de navigation" [Tom Sheppard]

BIBLIOGRAPHIE & WEBOGRAPHIE

1 - The viking sun compass : article de Mike Cowham in "The Scientific Instrument Society", 2007
2 - Les cercles de Lambert - article R.J. Rohr, 1983
3 - Recherche dans l'ombre et la lumière : Claude Guicheteau, 2011
4 - Publicité montre Rolex : magazine Géo n° 181 - mars 1994
5 - Cercles de Lambert et Marqueurs Saisonniers - J.P. Cornec, B. Rouxel - Cadran Info n° 9 – Mai 2004
6 - Calcul des paramètres des cercles de Lambert et des Marqueurs saisonniers. Extension aux compas solaires
      - J.P. Cornec, B. Rouxel - Cadran Info n° 10 – Oct 2004
7 - Compas solaires et navigation terrestre : site de F. Pineau
8 - Cadran solaire portatif des géographes Berliet : site du Musée de l'Infanterie
9 - Vikings and Vinland : site sur l'histoire des conquêtes des Vikings


Sur les sites suivants on trouvera d'autres illustrations et commentaires relatifs aux compas solaires.
10 - http://www.lone-rover.com/cpg1412/displayimage.php?album=25&pos=12
11 - http://www.davidmanise.com/forum/index.php?topic=10249.40
12 - http://www.ebay.co.uk/itm/COMPAS-SOLAIRE-BRITISH-ARMY-/300564951862
13 - http://fr.wikipedia.org/wiki/Long_Range_Desert_Group
14 - http://samilitaryhistory.org/vol024mn.html
15 - http://italie1935-45.forumactif.org/t1524-bagnold-sun-compass
16 - http://en.wikipedia.org/wiki/Ralph_Alger_Bagnold
17 - http://www.30degreessouth.co.uk/Second-WW/bagnoldsuncompass.html
18 - http://www.freewebs.com/tedbrink1/usa.htm#226789175
19 - http://www.fleaglass.com/index.php?a=2&b=5142
20 - http://www.sahariens.info/culture-saharienne/histoire/compas-solaires