Introduction

Connus dès la plus haute Antiquité, les mirages ont toujours été un objet de fascination pour les hommes d’autant plus que l’origine de ce phénomène leur était inconnue et donnait lieu à de multiples interprétations fantaisistes ?

A mesure que s’est développée la science, les mirages ont constitué un important sujet du questionnement scientifique.

Aujourd’hui encore, en Provence, la chaîne de montagne du Canigou observée depuis la région proche de Marseille suscite toujours curiosité et enthousiasme. En effet, cette chaîne de montagnes se trouve à vol d’oiseau à une distance de plus de 260 kilomètres et pourtant, il est possible deux fois par an de l’apercevoir depuis la cathédrale
de Notre-Dame de la Garde à Marseille ! Nombreux encore sont ceux qui croient qu’il ne s’agit que d’une histoire marseillaise de plus.

Alors qu’en est–il exactement? Mythe ou réalité ?

Après avoir mené notre propre étude, nous pouvons affirmer qu’il s’agit bien d’un mirage et c’est celui-ci que nous étudierons plus particulièrement ici.

Pour ceux qui ne seraient pas convaincus par l’approche scientifique, il reste toujours la photographie qui permet, comme pour la plupart des mirages, de rendre sur papier cette étrangeté de la nature.

Pourquoi le Soleil est-il déjà couché quand on le voit descendre vers l'horizon ? Sur cette photo de soleil couchant, on peut observer que l’astre semble déformé, légèrement aplati.
Ce phénomène est causé par la réfraction atmosphérique des rayons du Soleil.

Rappel

Définition : La réfraction de la lumière correspond au changement de direction du rayon lumineux lorsque celui-ci traverse une surface séparant deux milieux d’indices de réfraction différents.

En effet, la loi de Snell-Descartes de la réfraction exprime le changement de direction d’un faisceau lumineux lors de la traversée d’une paroi qui sépare deux milieux différents. Il faut d’abord savoir que chaque milieu est caractérisé par sa capacité à « ralentir » la lumière.

On modélise cette caractéristique par son indice de réfraction n qui s’exprime sous la forme :

    \[n = \frac{c}{v}\]

v est la vitesse de la lumière dans ce milieu et c est la vitesse de la lumière dans le vide (souvent arrondie à 3.108 m.s-1

Il est important de savoir que :

  • Le rayon lumineux est dit incident avant d’avoir rencontré la surface réfractante (appelée dioptre), il est dit réfracté après avoir rencontré cette dernière.
  • Le point de rencontre du rayon incident et du dioptre est appelé point d’incidence.
  • Le plan contenant le rayon incident et la normale au dioptre, au point d’incidence est dit plan d’incidence.
  • L’angle orienté i1 pris entre la normale au point d’incidence et le rayon incident est dit angle d’incidence.
  • L’angle orienté i2 pris entre la normale au point d’incidence et le rayon réfracté est dit angle de réfraction.
  • Les angles i1 et i2 sont positifs si ils sont orientés dans le sens trigonométrique (sens inverse des aiguilles d’une montre), négatifs sinon.

On prend n1 l’indice de réfraction du milieu dans lequel se propage le rayon incident et n2 celui du milieu dans lequel se propage le rayon réfracté.

Pour pouvoir énoncer la loi de la réfraction, il faut que le rayon réfracté, le rayon incident et la normale (au dioptre) soient dans un même plan qui est appelé le plan d’incidence et que le rayon incident et le rayon réfracté soient situés de part et d’autre de la normale.

Lorsque n> n2 (et respectivement n< n2) le rayon réfracté (et respectivement : incident) se rapproche plus rapidement du dioptre que le rayon incident (ou réfracté). Cependant, il existe un cas particulier où le rayon réfracté (ou incident) se retrouve mathématiquement sur le dioptre (sa limite) : il y a alors réflexion totale.

Comment obtient-on un arc-en-ciel ? Il est facile d’observer les phénomène de réfraction et de diffraction à l’aide d’un prisme. Vous avez sûrement dû déjà faire ça en cours.

Explication scientifique du phénomène

La réfraction atmosphérique correspond à un phénomène optique consistant en une trajectoire non rectiligne de la lumière lorsque celle-ci traverse l’atmosphère. Cela est principalement dû à une variation de la densité de l’air avec l’altitude.

L’atmosphère est la couche de gaz qui entoure la Terre. Cette dernière joue un rôle de protection en nous protégeant de ce qui se trouve au delà, dans l’espace, comme les rayons du soleil ou les corps étrangers. L’air que contient l’atmosphère est constitué à 78 % de diazote, de 21 % de dioxygène et le dernier pourcent représente une multitude d’autres gaz tels que le méthane, l’ozone, le dioxyde de carbone, l’argon, néon, krypton, xénon, etc.

Ainsi, pour tous les objets dits immergés dans l’atmosphère, le phénomène se renomme réfraction terrestre. Ce sont d’ailleurs ces réfractions terrestres qui conduisent aux mirages mais aussi aux effets de miroitement et d’ondulation en ce qui concerne les objets lointains.

De ce fait, en astronomie d’observation, la réfraction atmosphérique peut provoquer des erreurs en ce qui concerne l’évaluation de la position angulaire réelle de l’astre qui est observé. En effet, cet astre sera observé plus haut dans le ciel qu’il ne l’est dans sa position réelle. C’est pour cela qu’il est nécessaire, voire obligatoire, d’observer une correction de hauteur, également appelé de réfraction atmosphérique.

Cependant, il faut savoir que ce phénomène ne se contente pas d’affecter les rayons lumineux mais, de façon plus générale, il impacte toutes les ondes électromagnétiques. De fait de sa relation avec la longueur d’onde, on appelle cela le phénomène de dispersion, la lumière bleue sera plus fortement affectée par le phénomène que le serait la lumière rouge. C’est donc pour cela que, à cause de leur spectre, certain objets astronomiques peuvent voir les images en haute résolution s’étaler.

Notons que la lumière verte peut, en partie, être interprété par la réfraction atmosphérique mais aussi par la dispersion.

Un autre phénomène bien connu, l’observation du Soleil sous forme oblongue -donc légèrement aplati- lorsqu’il est à l’horizon, est un autre phénomène provoqué par la réfraction atmosphérique. Ce phénomène est d’ailleurs également observable pour la Lune.

Notons cependant que la réfraction atmosphérique est beaucoup plus importante pour tout objets proche de l’horizon par rapport aux objets qui seront plus près du zénith. C’est pour cela que les astronomes, dans le but de limiter les effets de la réfraction atmosphérique, préfèrent l’observations des objets lorsqu’ils se situent à leur point culminant de leur trajectoire dans le ciel. Mais c’est également pour cela que les marins, afin de se guider, ne visent pas les étoiles proches de l’horizon mais plutôt celles qui se trouvent au moins à 20° au-dessus de cet horizon.

Malgré tout, s’il n’est pas possible d’éviter les observations proches de l’horizon, il est tout à fait possible, sur certains instruments d’optique, de compenser les décalages observés à cause de la réfraction atmosphérique mais également ceux à cause de la dispersion.

Il faut tout de même savoir que la réfraction atmosphérique dépend également de la pression atmosphérique et également de la température. C’est pour cela que les instruments permettant de corriger les effets précédemment cités causés par la réfraction atmosphérique et la dispersion se doivent d’être technologiquement complexe. De ce fait, leur coût élevé minimise leur expansion.

Le problème est encore plus ancré dans le cas où la réfraction atmosphérique est non-homogène, principalement à cause de la présence de turbulences dans l’air. Ce sont ces mêmes turbulences qui provoquent d’ailleurs le phénomène de scintillation des étoiles.

Une formule déterminée empiriquement

De nombreuses formules existent dans le but de calculer la réfraction pour une hauteur définie.

Voici l’une des formules proposées avec :

  • R la réfraction ;
  • Et h la hauteur vraie en degrés de l’astre considéré.

    \[R = \frac { 1,02 } { \tan \left( h + \frac { 10,3 } { h + 5,11 } \right) } \]

Notons que cette formule suppose que l’observation est effectuée au niveau de la mer, à une pression atmosphérique de 1010 millibars, et pour une température de 10 °C.

Le cas des mirages

Pourquoi trouve-t-on des oasis dans le désert ? Beaucoup de voyageur du désert pensent observer de l’eau à la place du sable à cause de la réfraction atmosphérique des rayons du Soleil.

Comme vu précédemment, les mirages correspondent à un phénomène optique découlant de la déviation des faisceaux lumineux par des superposition de couchers d’air ayant des températures différentes. On se trouve alors dans le cas d’une propagation anormale de la lumière au sein d’une atmosphère dans laquelle la température, la pression ainsi que l’humidité restent constante verticalement selon la normale. Ainsi, la déviation des rayons lumineux peuvent donner l’impression que l’objet observé se situe autre que sa localisation réelle.

De ce fait, il serait incorrect de définir un mirage comme une illusion d’optique ou encore comme une hallucination : il est possible de photographier un mirage ! En effet, il s’agit plutôt d’une déformation mentale d’une image provoquée par une interprétation fausse du cerveau.

Le cerveau va ensuit interpréter les mirages observer comme des images qui lui sont connues :

  • Les mirages dits inférieurs peuvent prendre l’aspect d’étendue d’eau ;
  • Les Fata Morgana peuvent, quant à elle, ressembler à des château ou autres constructions complexes.

Notons également qu’il existe trois catégories différentes de mirages :

  1. Les mirages supérieurs ;
  2. Les mirages inférieurs ;
  3. Et les Fata Morgana, qui correspondent à des mirages plus complexes composés de plusieurs images superposées l’une à l’autre.

Principe de la réfraction de l’air

Nous avons vu précédemment que les mirages et donc la réfraction atmosphérique étaient dû à la déviation des rayons lumineux par des couches d’air de température différentes.

En effet, au sein de ces couches, l’indice de réfraction de l’air n’est pas constante puisque celui-ci peut évoluer en fonction de la température, de la pression atmosphérique mais aussi en fonction de l’humidité et de la composition de l’air.

De ce fait, les couches d’air froid sont plus denses que les couches d’air chaud et leur indice de réfraction est donc plus élevé puisque celui-ci évolue de façon proportionnelle à la pression mais de façon inversement proportionnelle à la température.

La superposition de couches d’air de plus en plus chaudes ou, au contraire, de plus en plus froides, va provoquer la création d’un gradient de température mais aussi de pression et par conséquence d’indice de réfraction pour l’air.

Indice de l'air en fonction de la température

Température (en °C) Indice de réfraction de l'air
- 201,00031489
- 101,000302844
01,000291647
101,000281196
201,000271373

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Joy

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