Cours météo - Les photométéores

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Dans l’atmosphère terrestre interagissent de nombreux éléments parmi lesquels l’air, la lumière et l’eau. Parfois, ils donnent naissance à des phénomènes appelés « photométéores ». Ce mot désigne littéralement la lumière (photo-) suspendue dans l’atmosphère (-météore).

Le photométéore est donc un phénomène optique issu de l’interaction entre les composants de l’atmosphère et la lumière, qu’elle soit d’origine naturelle, lunaire ou solaire.

 

 

 

1 | La lumière

 

La lumière est sans doute le point le plus important à maîtriser afin de bien comprendre les photométéores.

 

 

Qu’est-ce que la lumière, cette onde électromagnétique ?

 

Une onde est un transport d’énergie sans transport de matière dans un milieu défini par une longueur d’onde – distance entre deux crêtes de l’onde – et d’autres paramètres plus spécifiques. On distingue deux types d’ondes, les ondes électromagnétiques et les ondes nécessitant un milieu matériel pour se déplacer – ondes sonores, sismiques…

Les ondes électromagnétiques sont – pour faire simple – des petites particules d’énergie se propageant à la vitesse de 300 000 km par seconde et ne nécessitant pas de milieu matériel pour se propager. Elles sont également définies par une longueur d’onde qui va influer sur le comportement de l’onde elle-même si elle rentre en interaction avec de la matière. Les ondes électromagnétiques ont des longueurs d’onde allant de l’infiniment grand à des distances extrêmement réduites de l’ordre de 10^-16 mètre. Ces longueurs d’onde profèrent différentes qualités aux ondes en question.

La lumière est une onde électromagnétique dont le spectre s’étend du violet au rouge, soit d’une longueur d’onde de 400nm à 800nm environ (un nanomètre = 1.10^-9 mètre ou 0.000 000 001 mètre). Il faut néanmoins avoir à l’esprit que la couleur de la lumière est une « fabrication » du cerveau suite à la réception sur les capteurs des yeux d’une longueur d’onde. Le cerveau interprète ce qu’il perçoit en une série de couleurs. D’autres êtres vivants ne perçoivent pas le monde de la même façon que nous car leur cerveau interprètent différemment les longueurs d’onde perçues.

PS : Ceci n’est qu’une brève introduction aux ondes électromagnétiques. Des imprécisions sont présentes car l’exactitude des informations ne peut se résumer en trois paragraphes.

 

Spectre électromagnétique dans son ensemble

 

 

Interactions de la lumière avec l’atmosphère

 

Comme beaucoup d’ondes électromagnétiques, les ondes du spectre de la lumière peuvent entrer en interaction avec la matière.

Les différents composants de l’atmosphère donnent lieu aux différentes interactions possibles de la lumière, qui sont la diffraction, la réflexion, la réfraction ou les interférences.

La diffraction consiste en la diffusion des ondes dans différentes directions lorsqu’elles rencontrent un objet. La réflexion est un changement de direction de la lumière à l’interface de deux milieux distincts (air / cristaux de glace par exemple). Lorsque la lumière traverse en partie ou en totalité un milieu, il s’agit de la réfraction. Enfin, lorsque deux ondes interagissent entre elles, on parle d’interférences.

 

 

2 | Les différents photométéores 

 

 

► Arc-en-ciel (principal et secondaire)

 

L’arc-en-ciel est sans doute le photométéore le plus connu et le plus observé dans nos contrées. Ce phénomène se produit lorsque des gouttes d’eau suffisamment importantes sont présentes dans l’air et éclairées par une source lumineuse assez puissante – le soleil dans l’immense majorité des cas.

Les gouttes d’eau présentes dans l’air sont atteintes par la lumière du soleil qui s’apparente alors à de la lumière blanche, c’est-à-dire qu’elle est composée de toutes les couleurs du spectre de la lumière visible. Après avoir été réfractée en entrant à l’intérieur de la goutte, la lumière est réfléchie par la surface opposée de la goutte avec des angles différents selon la longueur d’onde de la lumière réfléchie. Cette différence d’angle explique pourquoi les couleurs apparaissent distinctes alors que la lumière originelle est apparentée blanche.

L’arc est quant à lui dû à la source lumineuse qui envoie ses rayons dans toutes les directions. De plus, même si toutes les gouttes d’eau interagissent de la même manière avec la lumière, nous ne voyons qu’un arc bien dessiné et non un « brouillon » de couleurs en face de nous. Cela est dû à la conjugaison des positions de la source de lumière et de l’observateur. Les gouttes d’eau réfléchissent la lumière toute de la même façon avec un angle particulier. Lorsque l’observateur se place, il voit les rayons renvoyés par les gouttes d’eau dans sa direction. Toutes les gouttes d’eau renvoyant avec le même rayon pour une même couleur, cela « fait le tri » dans ce que l’observateur perçoit et l’arc se créer car les rayons de lumière perçus sont tous renvoyés avec un même angle par rapport au « centre » de l’axe Source-Observateur-Rayon renvoyé. Il y a en quelques sortes un cône de lumière qui atteint l’observateur.

Le deuxième arc-en-ciel que l’on peut apercevoir au-dessus du premier est le résultat d’une seconde réflexion des rayons lumineux de l’arc-en-ciel primaire. Le mécanisme est exactement le même que pour l’arc-en-ciel primaire.

 

Arcs-en-ciel primaire et secondaire 

 

 

► Arc circumhorizontal

 

Ayant l’apparence d’un arc-en-ciel quasi-linéaire, l’arc circumhorizontal est engendré par la réfraction des rayons du soleil dans des cristaux de glace en suspension dans l’air. Ces cristaux, lorsqu’ils sont bien orientés, réfractent la lumière et la réfléchissent en l’ayant décomposée.

Si aucun arc n’est produit, c’est car la réflexion se fait sur une surface géométrique, celle des cristaux de glace, qui, à contrario des gouttes d’eau, ne renvoie pas les rayons lumineux avec un angle précis ; cela dépend de l’angle de réfraction du rayon et donc de l’orientation du cristal de glace par rapport au rayon lumineux. Cela aboutit donc à une moindre dépendance entre la position de l’observateur et l’orientation des rayons. On aboutit alors à un « arc-en-ciel quasi-linéaire » avec néanmoins la ségrégation des couleurs, toujours due aux différents angles de réflexion de couleurs.

Ses couleurs sont très vives car la diffraction faite par les cristaux de glace est très propre.

 

Arc circumhorizontal

 

 

► Arc circumzénithal

 

Il s’agit d’un arc présent au niveau du zénith alors que le soleil ne dépasse pas les 32° d’altitude. Cet arc prend la forme d’un arc-en-ciel inversé par rapport au soleil avec des couleurs très marquées.

Il se forme suite à l’interaction des rayons du soleil avec des cristaux de glace présents à haute altitude, notamment dans les cirrus. Ce sont ces mêmes cristaux qui produisent une diffraction de la lumière très marquée et pure, ce qui donne ces couleurs vives.

 

Arc circumzénithal

 

 

► Aurores polaires

 

Les aurores polaires sont un cas bien particulier de photométéores. Elles prennent place dans l’ionosphère, couche de l’atmosphère située entre 80 et 500km d’altitude, et même un peu plus haut.

Quant à leur formation, il faut remonter au niveau du Soleil. Notre étoile subit parfois des éruptions solaires pendant lesquelles des particules solaires s’échappent dans l’espace. Pour certaines, la Terre se trouve sur le chemin.

Cependant, la Terre est protégée par un champ magnétique qui a la faculté de dévier les vents solaires – flux de particules solaires éjectées lors d’éruptions. Il nous protège de bien des catastrophes mais n’est pas totalement étanche au niveau des pôles.

Certaines particules solaires arrivent alors à s’insérer au niveau des pôles et rencontrent des particules de l’atmosphère terrestre. Les particules solaires étant électrisées à haute énergie, elles excitent les molécules de l’atmosphère terrestre qu’elles rencontrent. Ces molécules excitées, sans rentrer dans les détails, renvoient un photon, particule élémentaire à l’origine de la lumière, afin de retourner à un état stable.

Ce cas de figure se reproduit un nombre incalculable de fois, ce qui donne un nombre incalculable de photons et donc les aurores. Les différentes couleurs d’aurores boréales sont quant à elles dépendantes des molécules excitées par les particules solaires.

 

Aurore polaire

 

 

► Cercle parhélique

 

Il consiste en un cercle horizontal situé à la même altitude, hauteur angulaire, que le soleil. Il apparaît donc comme une ligne qui se détache du ciel par sa blancheur, son opacité et qui suit la ligne d’horizon.

Il est engendré par la réflexion des rayons lumineux sur les faces des cristaux de glace hexagonaux. La réflexion étant faite directement sur la face extérieure du cristal, il n’y a aucune diffraction et aucune couleur ne se distingue alors d’autres.

 

Cercle parhélique

 

 

► Colonnes lumineuses – Light pillars

 

Ces photométéores d’origine humaine se produisent dans un contexte très froid et relativement humide. Les petites particules de glace hexagonales en suspension dans l’air reflètent les rayons issus des différentes sources lumineuses de façon verticale, ce qui donne l’illusion d’une colonne de lumière.

 

Piliers de lumière ou Light pillars

 

 

► Gloire

 

Il s’agit d’un phénomène de diffraction qui produit une série d’anneaux successifs aux couleurs de l’arc-en-ciel autour de l’ombre de l’observateur ou de l’objet observé. La diffraction de la lumière se fait sur des gouttelettes d’eau en suspension dont la taille fera varier le diamètre de la gloire.

 

Gloire

 

 

► Halo de 22° et de 46°

 

Les halos sont – comme beaucoup de photométéores – provoqués par les interactions entre les cristaux de glace en suspension et la lumière, peu importe sa source pour peu qu’elle soit assez puissante.

Le halo de 22° est, comme son nom l’indique, un halo présent autour d’un astre lumineux. Il est dit de 22° car il se positionne à 22° de l’axe observateur-astre. Il a un bord intérieur teinté de rouge alors même que son bord extérieur semble blanchâtre.

Le halo de 46°, nommé suivant la même logique que le précédent, est quant à lui bien plus rare. Il se produit lorsque la lumière est confrontée à des prismes de glace dont l’angle de réflexion s’élève à 46° minimum par rapport au rayon incident.

 

Halos de 22° et 46°

 

 

► Irisations

 

Ayant l’aspect d’une série de bandes plus ou moins rectilignes colorées aux couleurs de l’arc-en-ciel, ce photométéore se produit lorsque la lumière rencontre des nuages peu épais – c’est-à-dire que la lumière peut traverser au moins partiellement – tels que les cirrocumulus ou altocumulus. Ces nuages ont la particularité d’être composés, au moins au début de leur vie, de fines gouttelettes d’eau qui diffractent la lumière.

On les retrouve aussi parfois au niveau des pileus, nuages qui chapeautent les sommets des cumulonimbus en phase d’excroissance verticale intense.

 

Irisation

 

 

► Mirages

 

Les mirages sont un cas particulier de photométéores dans la mesure où ils ne font pas intervenir – directement – l’eau.

Un mirage est l’illusion d’un reflet plus ou moins net d’une image sur l’horizon. Ce reflet est dû à la modification de l’angle de diffusion de la lumière par l’air, cela étant la conséquence directe de la température plus ou moins élevée de l’air.

Cette modification de l’angle de diffusion peut atteindre 10°, ce qui donne l’illusion d’objets au loin visibles alors qu’ils ne le sont pas car situés derrière la ligne d’horizon. De tels mirages apparaissent aussi bien lorsque le sol est plus froid que l’air situé un peu plus en altitude que lorsqu’il est plus chaud.

 

Mirage

 

 

► Nuages noctulescents

 

Autre cas particulier de photométéore, les nuages noctulescents – qui ne sont, au sens strict du terme, pas des nuages – prennent place entre 75 et 85 kilomètres d’altitude, dans la mésosphère.

Il s’agirait d’un ensemble de particules faisant office de noyau de condensation pour la vapeur d’eau présente à ce niveau de l’atmosphère. Cependant, la question de la consistance des nuages noctulescents divise encore les scientifiques…

En revanche, il est certain que la brillance des nuages noctulescents est dû à une réflexion partielle des rayons solaires. Cependant, on n’observe ces nuages que lors du crépuscule profond.

Le crépuscule profond est la période pendant laquelle le soleil est passé sous la ligne d’horizon de l’observateur mais pas sous la ligne d’horizon des particules formant le nuage noctulescent.

 

Nuages noctulescents |  © Rudy Pirquet, Twitter. (lien)

 

 

► Rayon vert

 

Sans doute le plus furtif des photométéores, le rayon vert résulte d’une conjonction de situations qui ne se présente que pendant de très courtes durées.

Il se produit au lever du soleil quand l’atmosphère est relativement dégagée. Les premiers rayons du soleil apparaissent en vert car la couche d’atmosphère à traverser à plus grande, ce qui fait que les rayons solaires qui tendent vers le rouge sont absorbés. C’est ce qui donne la couleur feu au ciel lors du crépuscule et de l’aube. De plus, les rayons qui tendent vers le bleu sont plus absorbés que les rayons verts, ce qui laisse la voie libre aux rayons verts de parvenir à l’observateur.

 

Rayon vert