Dans l'atmosphère, l'interaction entre la lumière incidente, les particules et les processus physiques provoque une multitude de phénomènes optiques. Beaucoup d'entre eux sont connus de la plupart des gens, mais comment se produisent-ils exactement? MeteoNews vous donne quelques éléments de réponse.
Que sont les phénomènes optiques ?
Les phénomènes optiques décrivent une multitude de phénomènes qui sont provoqués par la combinaison de la lumière, des particules et de différents processus dans l'air. On distingue d'une part les différents étages de l'atmosphère (troposphère, stratosphère, mésosphère, thermosphère, ...) et d'autre part le type d'influence de la lumière (réfraction, diffusion, diffraction, réflexion). La plupart des phénomènes se produisent dans la troposphère, c'est pourquoi nous nous intéressons ci-après à ceux-là.
Diffusion et réflexion
La lumière du soleil se compose d'un large spectre de couleurs qui, combinées, sont perçues comme blanches par l'œil humain. Les différentes teintes de cette couleur mixte se distinguent par leurs longueurs d'onde. Le domaine visible se situe entre 380 nm (violet) et environ 770 nm (rouge). Lors de la diffusion atmosphérique, la lumière entrante (généralement solaire) dans l'air est déviée dans différentes directions par des aérosols ou des gaz en suspension, en fonction de la longueur d'onde, les couleurs avec des longueurs d'onde plus petites étant plus fortement diffusées que les autres. La lumière est légèrement atténuée à chaque diffusion. Les deux diffusions les plus connues dans l'atmosphère sont la diffusion de Rayleigh et la diffusion de Mie. La diffusion Rayleigh est responsable de la couleur bleue du ciel et de l'aurore ou du crépuscule. Lorsque le soleil est haut dans le ciel, le trajet d'un rayon de lumière à travers l'atmosphère terrestre est relativement court, les couleurs de lumière à ondes courtes étant principalement diffusées et le ciel étant perçu comme bleu. Lorsque le soleil est bas, par exemple le soir avant le coucher du soleil, le trajet d'un rayon de lumière est nettement plus long en raison de l'angle d'incidence plat. Dans ce cas, les couleurs à ondes courtes ne sont plus du tout perçues en raison de l'affaiblissement constant et les couleurs à ondes longues (comme l'orange ou le rouge) gagnent en influence.
Fig. 1: Coucher de soleil avec des tons rougeâtres
La diffusion de Mie, en revanche, n'a pas lieu sur des molécules de gaz, mais sur des particules plus grandes, comme de petites gouttes d'eau. La longueur d'onde du spectre de couleur correspond donc à peu près à la taille de ces particules, la lumière est diffusée uniformément dans toutes les directions. Elle est perçue comme blanche ou grise. L'exemple le plus connu est celui du brouillard.
Fig. 2: Une image familière du Plateau suisse
Il existe également des effets de rétrodiffusion qui sont visibles par rapport à la source lumineuse proprement dite. L'exemple le plus connu est l'arc-en-ciel, où les couleurs du spectre apparaissent de l'intérieur vers l'extérieur. Un autre phénomène connu est le spectre de Brocken.
Fig. 3: Le spectre de Brocken
Les "piliers de lumière" (light pillars) constituent un phénomène toujours fascinant. Cet effet, qui fait partie des phénomènes de halo, est provoqué lorsque la lumière se reflète sur des cristaux de glace hexagonaux. Normalement, ce phénomène peut être observé sur des cristaux de glace qui descendent lentement et s'orientent donc horizontalement. En plus d'un environnement froid, il faut donc que les conditions soient pratiquement sans vent.
Fig. 4: Colonne de lumière dans le prolongement vertical du soleil
Réfraction
Lors de la réfraction de la lumière, c'est son passage d'un milieu (p. ex. l'air ou l'eau) à un autre qui joue un rôle décisif. Les différents milieux présentent des indices de réfraction différents. Plus la densité optique d'un milieu est élevée, plus la lumière peut s'y propager lentement. La lumière est donc déviée - ou réfractée - en raison des différentes vitesses de propagation. Dans la vie quotidienne, ce phénomène peut être observé par exemple par une paille apparemment pliée dans un verre d'eau. Cet effet est également visible dans l'atmosphère, par exemple lorsque le soleil est bas et semble un peu comprimé. Dans ce cas, les rayons lumineux provenant de la partie inférieure du soleil sont plus fortement réfractés que la lumière provenant du bord supérieur.
