Les mirages:

Site sur le sujet: Wikipédia l'encyclopédie libre

Schéma dans le cas d'un mirage inférieur:

Lorsqu’on évoque le mot "mirage", il nous vient à l'esprit le plus souvent les images de nos routes surchauffées en été avec ses "flaques" bleutées, ou de façon plus classique les images observées dans les déserts et qui nous laissent apercevoir une étendue d’eau là où il n’y a que du sable. Ce phénomène est le plus couramment constaté, il s'agit de mirages inférieurs. Cela s'explique par l' inversion des gradients de température et d'indice de réfraction dans les couches d'air très près du sol.

Comment se produit l'inversion des gradients?

Dans les conditions habituelles de pression et de température, au fur et à mesure que l'altitude augmente, les couches d'air voient la pression diminuer, entraînant une diminution de la densité qui conduit elle-même à une diminution de l'indice de réfraction.

Quand la température augmente de façon très importante sous l'effet du rayonnement solaire, la pression qui au niveau du sol ne varie pratiquement pas, contraint les couches basses à augmenter de volume (gaz parfaits PV = nRT) et à échanger l'énergie rayonnée par le sol vers les couches supérieures qui voient à leur tour leur température s'élever. Cette augmentation de volume entraîne une diminution de la densité, et par la même une diminution de l'indice de réfraction. L'air au niveau du sol est ainsi moins dense que dans les couches supérieures. On voit ici que c'est un changement de la répartition des indices qui est inversée par rapport à celle obtenue dans les conditions habituelles.

A condition qu'il n'y ait pas de vent, ces échanges se faisant sur de vastes étendues relativement planes, le phénomène de turbulence qui tend à s'installer normalement est en quelque sorte bloqué au profit d'échanges plus laminaires avec les couches supérieures. Ainsi un certain équilibre existe entre les différentes couches qui, du moins pendant un temps, constituent un mille-feuille dans lequel le jeu de la réfraction va aboutir à l'apparition du mirage (tiens! c'est pratiquement un pléonasme...).

Schéma dans le cas d'un mirage supérieur:

Dans le cas des mirages dits supérieurs, le phénomène d'inversion des gradients concerne plutôt les régions aux températures très basses, où l'effet observé se situe plus haut dans les couches d'air.

Dans le cas des mirages inférieurs et supérieurs il existe encore de nombreuses variantes comme les Fata Morgana .

Dans un milieu homogène, les rayons se propagent en ligne droite. Dans les milieux hétérogènes, on peut considérer que le trajet de ces rayons lumineux suit les lois fondamentales de l’optique géométrique. L'atmosphére n'est pas un milieu homogène, on peut l'assimiler à une succession de couches d'air, suffisamment stables, dont la densité et la température varient de façon continue en fonction de l'altitude. Dans le cas de la formation des mirages, les rayons lumineux subissent une série de trés légères déviations dans l’atmosphère. Pour définir ce changement de direction, on parle alors de réfraction. Ce changement de direction peut même provoquer, comme nous le verrons un peu plus loin, jusqu'à une inversion de la direction suivie par les rayons lumineux, on parle alors de réflexion totale.

Les changements climatiques extrêmes, où température et pression voient leur gradient s'inverser, sont souvent à l'origine de la formation de mirage. Dans l'atmosphère, ce sont des modifications extrêmement faibles de l'indice de l'air qui interviennent. Pour s'en convaincre voici un petit calcul qui permettra de fournir quelques ordres de grandeur, en utilisant la formule suivante:

n = 1+(0,00029*EXP(-A/10000))/(1 + 0,003816*(T - 0,0065 x A))

(A altitude en mètres, T température en °C)

Site de référence: Derivation Of The Effect Of Atmospheric Refraction On The Observed Elevation Angles Of Peaks

Remarque: la variation due au terme d'altitude est négligeable dans les calculs qui suivent.

Prenons le cas d'une couche d'air à 20°C, on obtient n= 1,000269416
Prenons maintenant une route surchauffée, comme celle de nos vacances en été, où la température de la couche d'air, 10 cm juste au-dessus du sol, peut atteindre 60°C, on obtient n=1,000235974.
Prenons une autre couche d'air à 20cm au-dessus du sol, l'air est un mauvais conducteur de chaleur sa température plus faible se situe à 50°C, on obtient n=1,000243534
Prenons encore une autre couche d'air à 50cm et à 30°C, on a alors n= 1,000260204

Hauteur/sol= 1m, Température = 20°C -> n1= 1,000269416 (conditions standard)

Hauteur/sol= 10cm, température = 60°C -> n1= 1,000235974

Hauteur/sol= 20cm, température = 50°C -> n2= 1,000243534

Hauteur/sol= 50cm, température = 30°C -> n3= 1,000260204

Dans ces trois derniers exemples, l'indice est plus faible que dans les conditions standard au niveau du sol, il augmente ensuite régulièrement, à mesure que la hauteur augmente et que la température diminue. Remarquez, que dans les exemples choisis, les variations concernent la cinquième décimale seulement. Le graphique suivant illustre, de façon 'amplifiée', ces faibles variations afin d'en améliorer la compréhension.

On peut noter dans les deux cas, que les rayons lumineux semblent être "attirés" du côté des indices les plus élevés.

Le dessin à gauche (cas normal de réfraction) montre un exemple de trajet de rayons lumineux qui pourraient se diriger vers le sol, dans un cas où l'on peut assimiler l'atmosphère à une succession de couches d'air d'égale épaisseur mais de températures et donc d'indices différents. Cette atmosphère standard correspond aux conditions habituelles avec une diminution de la température à mesure que l'altitude augmente, et un air plus dense prés du sol qu'en altitude, ce qui se traduit par un indice de réfraction plus élevé au sol qu'en altitude. Dans de telles conditions les rayons lumineux qui suivent ce trajet vont être arrêtés par le sol...

Maintenant, si on considère le schéma de droite (cas du mirage inférieur) où les conditions climatiques correspondent à une chaude journée d'été, le scénario est tout à fait différent. On observe une inversion de la température près du sol, où l'air surchauffé voit sa densité diminuer, ce qui a pour conséquence de faire diminuer l'indice de réfraction, en effet densité et indice sont directement liés. Les rayons lumineux suivent alors une trajectoire qui tend à s'écarter un peu plus vers le haut, au fur et à mesure qu'ils traversents les différentes couches. L'angle d'incidence augmente toujours un peu plus pour tendre vers une limite, proche de 90°; il va alors subir une réflexion totale (voir explication sur la loi Descartes /Snell en haut de la page). C'est ainsi qu'un observateur, placé en B, peut apercevoir à la fois un rayon lumineux direct (en bleu) venant du point A, et un autre rayon lumineux (en rouge), tout à fait inhabituel et semblant provenir du sol. Nous avons ici l'explication du phénomène à l'origine de l'apparition du mirage.

Les rayons lumineux ont 'emprunté' deux chemins distincts partant d'un point A pour arriver à un point B. Cela se traduit par la perception de deux images dont une est inversée à la suite d'une réflexion totale; c'est cette image qui est appelée mirage. Pour l'observateur elle semble provenir d'une direction qui se trouve dans le prolongement de la dernière partie du trajet suivi par les rayons. Autrement dit, elle est tangente, près de son oeil, au trajet suivi.

Exemple par le calcul, pour fixer les ordres de grandeurs:

Si nous essayons d'exploiter encore un peu les donnée précédentes, dans le cas de la route surchauffée, nous pouvons essayer d'évaluer la distance à partir de laquelle un mirage inférieur peut être observé. Pour cela on calcule la valeur de l'angle de réfraction limite pour le dioptre formé par les couches à 10 et 20 cm au-dessus du sol.

Sinus ilimite = n1/n2, avec n1 = 1,000235974 et n2 = 1,000243534 ce qui donne ilimite = 89,7772degrés (89° 46' 38")

L'angle d'élévation (complémentaire à 90°) du rayon lumineux est de 0,2228 degré (0°13'22"). Pour un rayon lumineux partant d'un objet d'une hauteur sensiblement égale à la hauteur d'un observateur (1,80m) cela situerait la zone de réflexion totale (effet de miroir) à une distance très approximative D= h/tg(90-ilimite). L'application numérique nous donne, ici, une distance de 460 mètres; il faut ensuite doubler cette valeur, soit près de 1 km, pour situer l'objet distant qui serait vu avec un effet de mirage. Les valeurs d'élévation considérées étant très petites, cela conduit naturellement à des distances relativement grandes.

Il existe bien sûr bien d'autres conditions qui permettent d'observer des mirages inférieurs. On peut tout aussi imaginer un observateur placé très près d'une surface surchauffée et suffisamment grande pour apercevoir un mirage sur des distances beaucoup plus courtes. Attention ici à ne pas confondre l'effet de mirage avec la turbulence de l'air que l'on peut constater au-dessus d'un feu, le barbecue de nos vacances, par exemple ou une surface surchauffée comme celle d'un toit. Il existe encore des mirages dans le cas du soleil, lorsque celui-ci est très bas sur l'horizon. Dans ce cas la distance est alors très grande.

Il faut savoir que bien d'autres cas de mirages existent, comme les mirages créés dans l'univers par des objets tels que les trous noirs, les galaxies, ou groupes de galaxies; dans ce cas il ne s'agit plus de réfraction, mais plutôt de déviation des rayons lumineux due au champ gravitationnel de ces objets massifs.

Alors et le Canigou dans tout ça?...

Ayant parcouru les encyclopédies et passé de longs moments à surfer sur le Net, j'ai constaté que la notion de mirage englobe tous les phénomènes qui, de près ou de loin, modifient le trajet des rayons lumineux d'une manière continue et progressive, sans qu'il y ait pour autant réflexion totale et donc apparition d'une image secondaire inversée. Il en est ainsi pour la réfraction près de l'horizon qui fait apparaitre les objets lointains plus haut dans le ciel qu'ils ne le sont en réalité, comme c'est le cas des astres se couchant à l'horizon.

Donc, au sens admis et le plus répandu généralement, nous sommes bien en présence d'un mirage dans le cas du Canigou, en ce sens que l'on observe en fait une image plus haute au dessus de l'horizon que ne l'est en fait la chaîne de montagne en réalité...

Avis au lecteur qui se satisfait de cette définition: inutile de continuer la lecture de ce qui suit... loin de moi l'idée de me lancer dans une polémique, je vous livre simplement une... petite réflexion!

Personnellement j'aurai préféré qu'une distinction soit faite entre les phénomènes qui gênèrent une seconde image inversée, obtenue après une réflexion totale au moins, et la réfraction qui pour les phénomènes toujours observés près de l'horizon 'déplace' l'image principale et unique plus haut sur l'horizon.

Bien sûr tout est une question de convention, mais cette définition trop généraliste me dérange car lorsque j'observe un coucher de soleil à l'horizon, je n'ai pas le sentiment d'être en présence d'un mirage, tout simplement parce qu'il y a une continuité totale du mouvement apparent du soleil dans le ciel depuis son lever juqu'à son coucher. Le terme de mirage au sens de l'apparition, souvent qualifiée de surprenante voire étrange, ne me semble pas approprié dans le cas du soleil à l'horizon; et aussi parce que cela ne correspond pas non plus à quelque chose qui survient de manière inattendue, dont on sait que la durée est éphémère et qui n'est pas reproductible d'un jour à l'autre.

Le cas du Canigou, à mon sens, n'est pas un phénomène à classer dans la catégorie des mirages. Il serait plutôt à classer dans les phénomènes de 'réfraction ordinaire' dans la mesure où il n'existe pas d'image inversée, non pas parce qu'elle est arrêtée par un obstacle, mais parce qu'il n'y a pas d'autre trajet possible pour que les rayons lumineux parviennent jusqu'à nous.

Nous observons de la chaîne du Canigou une image droite, dans le sens optique du terme (c'est à dire non inversée), qui est plus haute à l'horizon à cause de la réfraction atmosphérique, tout comme les astres qui subissent de façon plus prononcée la réfraction atmosphérique puisqu'il s'agit, dans ce cas, pour la lumière de traverser la totalité de la couche atmosphérique.

Vous l'aurez deviné, pour moi le Canigou c'est un phénomène de "réfraction ordinaire" mais que les circonstances de son observation ne rendent vraiment pas ordinaire du tout !!!

Si vous souhaitez donner votre avis sur le sujet, vous pouvez m'envoyer un message. Je ferai en sorte d'ouvrir une page spéciale sur ce sujet afin d'élagir le débat.


	*Retour* haut de la page