Les photométéores (halos, mirages, gloires...)

Où observer des photométéores ?

Les photométéores peuvent s’observer à la surface du sol, ou dans l’atmosphère, au sein des nuages ou de lithométéores (ensemble de particules dont la plupart sont solides et non aqueuses). Les photométéores peuvent apparaître dans une atmosphère plus ou moins limpide : mirage, scintillation, rayon vert, teintes crépusculaires.

Les différents photométéores : l'arc-en-ciel

Double arc-en-ciel - François Gourand - Météo-france

L'arc-en-ciel apparaît sous la forme d'un groupe d'arcs de cercle concentriques dont les couleurs passent, dans l’ordre, par toutes les nuances du rouge, de l'orange, du jaune, du vert, du bleu, de l'indigo et du violet. Il est produit par la réfraction et la réflexion de la lumière du Soleil sur un écran de précipitations liquides. L'observateur a le Soleil dans le dos et le regard tourné vers le rideau de pluie. Le centre de l’arc-en-ciel se situe toujours dans le prolongement de l'axe partant du Soleil à l'œil de l'observateur.

Les halos

Les halos désignent des phénomènes optiques prenant la forme d'anneaux, d'arcs, de colonnes ou de foyers lumineux, autour du Soleil (ou de la Lune). Ils sont engendrés par la réfraction et la réflexion de la lumière par des cristaux de glace en suspension dans l'atmosphère. Ils nécessitent donc la présence d’une source lumineuse (le Soleil ou la Lune) et d’un nuage de cristaux de glace. Ils s’observent ainsi plus fréquemment à proximité des pôles, plus rarement sous nos latitudes.

Zoom sur les halos

Les cristaux de glace ont une forme hexagonale, en colonne, ou en plaquette. Selon leur forme, et la face sur laquelle arrive le rayon du Soleil, différents angles de déviation sont possibles pour le rayon sortant.

Les couronnes

​ Les couronnes sont constituées d'une ou plusieurs séries (rarement plus de trois) d'anneaux colorés, centrés sur le Soleil ou la Lune et de rayon relativement faible.

@meteo78 via @Infoclimat

Chaque série d'anneaux comporte un anneau intérieur violet et extérieur rouge et des anneaux intermédiaires de couleurs différentes. Ces couronnes sont produites par la diffraction de la lumière à travers une couche de brume, brouillard, nuage mince constitué de très petites particules d'eau liquide ou de glace. Le phénomène de diffraction s’observe lorsque une onde électromagnétique rencontre un petit obstacle ou passe à travers une fente très fine.

@boubougap via @Infoclimat

Les irisations ou nuages iridescents

Les irisations colorent les nuages de magnifiques teintes, plus ou moins vives, qui composent la lumière blanche. Les couleurs prédominantes sont le vert et le rose, souvent avec des nuances pastel. Elles sont liées au phénomène de diffraction de la lumière du Soleil (ou de la Lune) à travers les minuscules gouttelettes d'eau ou les minuscules cristaux de glace qui composent les nuages, le plus souvent du genre cirrocumulus et altocumulus. Ces particules doivent être uniformément réparties pour permettre l'irisation. Ainsi, toutes les gouttelettes, interfèrent avec les autres pour diffracter la lumière solaire.

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Les gloires

  La gloire est composée d’une ou plusieurs séries d'anneaux colorés autour de l'ombre portée de l’observateur sur un nuage, constitué par de nombreuses petites gouttelettes d’eau, sur du brouillard ou très rarement sur de la rosée. La diffraction est à l'origine des anneaux colorés (anneau extérieur rouge). Le retour des rayons vers l'observateur est permis par la réflexion sur les gouttes d'eau. Comme dans une couronne, chaque série d'anneaux comporte un anneau intérieur violet et extérieur rouge et des anneaux intermédiaires de couleurs différentes.
Le phénomène se forme toujours directement à l’opposé du Soleil par rapport à l’observateur, par conséquent le plus souvent au-dessous de la ligne d’horizon, excepté au moment du lever et du coucher du Soleil. Pour apercevoir une gloire, l’observateur doit avoir le Soleil dans le dos et se situer en altitude, sur une montagne, le flanc d'une colline ou dans un aéronef, d'où il regarde une couche de brume, de brouillard ou un nuage.

La gloire est pratiquement toujours accompagnée de l'ombre portée de l'observateur. Un observateur à l’intérieur d’un avion peut voir une gloire autour de l'ombre portée de son aéronef.

Lorsque le nuage est proche de l'observateur et que l’ombre portée de ce dernier paraît très agrandie et déformée par la perspective, on parle de spectre du Brocken.

@meteo78 via @Infoclimat - gloire (anneaux colorés) et du spectre de Brocken (ombre portée) avec de nombreux arcs surnuméraires

​Anneau de Bishop

C'est un anneau blanchâtre, centré sur le Soleil ou la Lune, présentant une légère teinte bleuâtre à l'intérieur et brun rougeâtre à l'extérieur. Les couleurs de l'anneau de Bishop ne sont pas très nettes et sont particulièrement estompées dans les anneaux observés autour de la Lune.

L'anneau de Bishop est engendré par la diffraction de la lumière à travers des poussières très fines d'origine volcanique dans la haute atmosphère. Il doit son nom au révérend S. Bishop, le premier à décrire le phénomène après l'éruption du Krakatoa en 1883.

Les mirages

​Les mirages sont le fruit d’une illusion d’optique. Ils sont la perception faussée d’objets éloignés sous forme d'images stables ou vacillantes, simples ou multiples, droites ou renversées, agrandies ou réduites dans le sens vertical.

Lors de l’apparition d’un mirage, notre cerveau est trompé. Il pense, puisque c’est la plupart du temps le cas, que les rayons lumineux se propagent en ligne droite, et déduit ainsi la position d’un objet sur lequel porte notre regard. Or, dans certaines conditions, les rayons lumineux se propagent selon une trajectoire courbée.

@Damia via @Infoclimat - Spectaculaire mirage sur Marseille ! Marseille un aspect étrange, comme posée sur un lit de roches, ou entourée d'une muraille. Mais rien de tout cela : il s'agit d'un mirage, avec une très forte diffraction, qui entraîne la réflexion de la ville.

Le saviez-vous ?
La lumière interagit avec le milieu traversé. Lorsqu'un rayon lumineux se propage dans un milieu homogène, il avance en ligne droite, mais lorsqu’il change de milieu, il subit une déviation, par réfraction. C’est pourquoi une paille dans un verre d’eau apparaît pliée à l’interface de l’air et de l’eau.

L’air n’est pas un milieu homogène, en particulier lorsqu’il y a une grande différence de températures entre le sol et l’atmosphère. La couche d’air au contact du sol présente alors une température et donc une densité très différente des couches supérieures de l’atmosphère. La lumière se propage plus rapidement dans l’air chaud, que dans l’air froid, qui est plus dense. Le rayon lumineux va ainsi être dévié en traversant des couches d’air des températures différentes.

Quel effet pour un observateur qui se trouve sur une surface chaude ? Lorsqu’un rayon lumineux émis par le ciel se rapproche du sol, il va passer d’une couche plus froide à la couche d’air très chaud au contact du sol, être dévié et même finir par remonter. L’observateur qui regarde vers la surface va alors voir une image du ciel. C’est ce qu’on appelle un mirage inférieur ou mirage chaud, car il se produit sur des surfaces surchauffées par l'insolation.

@meteo78 via @Infoclimat

Si au contraire, le sol est très froid, il refroidit la couche d’air directement à son contact. Dans cette couche d’atmosphère, le rayon lumineux est courbé vers le bas, et on peut voir une image surélevée de ce qui se trouve à l’horizon. On parle de mirage supérieur ou mirage froid, car il intervient sur des surfaces froides, comme des sols enneigés, des mers froides, etc… Lors du naufrage du Titanic, un mirage froid aurait pu jouer son rôle en masquant l’iceberg qui lui a été fatal.

​ Le rayon vert

​C’est un photométéore rare, qui peut être observé au coucher ou au lever du Soleil, plus facilement au coucher, quand le disque solaire passe sous l’horizon. On peut apercevoir un liseré ou un point vert sur sa bordure supérieure. C’est le rayon vert.

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Ce phénomène optique est dû à la réfraction atmosphérique. La lumière du Soleil est composée d’une infinité de couleurs. Lorsque le Soleil est à l’horizon, il traverse une épaisse couche d’atmosphère, plus dense que l’espace, dans laquelle les rayons lumineux vont se courber par réfraction, de façon plus ou moins prononcée selon leur couleur. Les couleurs chaudes, de plus longue longueur d’onde, sont plus déviées que les couleurs froides.

Ainsi dans certaines conditions atmosphériques, lorsque le soleil passe sous l’horizon, les couleurs bleues ont été diffusées en traversant l’atmosphère, le soleil est trop bas pour que les couleurs rouges parviennent à l’oeil de l’observateur, et seul un rayon vert apparaît sur le bord supérieur du disque solaire.

Il est plus probable de voir le rayon vert, les jours chauds, lorsque de l'air chaud surplombe une eau plus froide. Ces couches d'air de densité différentes, favorisent la réfraction de la lumière, et la séparation des couleurs.

​Les teintes crépusculaires

Les teintes crépusculaires du ciel apparaissent au coucher ou au lever du Soleil, sous la forme de colorations diverses. Elles sont dues à la réfraction, la dispersion et l'absorption de certaines couleurs du spectre de la lumière dans l'atmosphère.

Teintes crépusculaires. © Michel Hontarrède - Météo-France

Les aurores polaires

Les aurores polaires (appelées "aurores australes" dans l'hémisphère Sud, et "aurores boréales" dans l'hémisphère Nord) sont des phénomènes lumineux de la haute atmosphère (entre 100 et 400 km), sous forme d'arcs, de bandes, ou de rideaux de couleurs bleue, rouge, rose, mauve ou verte, qui dansent dans le ciel. Elles proviennent de l'interaction de particules d'origine solaire (protons et électrons) avec des atomes et molécules terrestres (hydrogène, hélium, oxygène et azote).

Aurores boréales en Bourgogne et en France @ droupi via @Infoclimat

En cas de forte activité, des particules chargées peuvent s’échapper du Soleil :  c’est une éruption solaire. Elle est composée de protons et d’électrons qui circulent dans l’espace à forte vitesse : c’est le vent solaire. Lorsque l’éruption et le vent solaire sont forts, on parle même de tempête solaire. La Terre est heureusement protégée par son champ magnétique qui dévie le vent solaire vers les pôles.

Ces particules chargées peuvent alors être canalisées le long des lignes de force du champ magnétique terrestre au niveau des pôles. Lorsqu’elles arrivent dans la haute atmosphère, elles rentrent en collisions avec les atomes de l’atmosphère, et leur transfèrent de l’énergie. Cette énergie est ensuite libérée sous forme de lumière pour former les aurores polaires. La couleur dépend de l’altitude et de l’atome concerné lors de la collision. Les collisions avec des atomes d’oxygène peuvent donner des couleurs vertes entre 100 et 300 km d’altitude (cas le plus fréquent) ou rouge entre 300 et 400 km de haut. Les collisions avec des atomes d’azote à 100 km d’altitude donneront des teintes rosées et celles avec les atomes d’hydrogène et d’hélium des teintes bleues ou mauves.

Aurore polaire © Patrick Carpentier - Météo-France

Colonnes et piliers lumineux