Nous allons ici abandonner quelques instants le H de MHTI pour étudier des milieux à indice variable.
Nous avons tous déjà observé des phénomènes de mirage optique.
- La fameuse flaque d'eau, que l'on aperçoit sur les routes goudronnées et pourtant sèches en été. Ce n'est que le reflet du ciel sur la route surchauffée.
- En bord de mer, par temps chaud, si la mer est froide, il est parfois possible d'apercevoir une île ou un voilier pourtant situé derrière l'horizon, ou d'en voir deux images l'une au dessus de l'autre.
- En février ou en novembre, il est parfois possible de voir, depuis Marseille, le Soleil se coucher derrière le mont Canigou, alors que celui-ci est normalement invisible. En effet, d'après le principe de propagation rectiligne de la lumière, les rayons issus de cette montagne passeraient à plusieurs dizaines de mètres sous la Méditerranée.
Nous allons voir que tous ces phénomènes impliquent des changements d'indice de l'atmosphère dus à des changements de température. Nous n'aborderons ces phénomènes que de manière qualitative.
Un milieu d'indice variable peut-être vu comme la superposition d'une multitude de couches de MHTI d'indices différents. Si un rayon se propage des indices les plus grands vers les plus faibles, à chaque passage d'un milieu à un autre, il s'éloigne de la normale jusqu'à être réfléchi puis repartir vers les milieux à fort indice. Il se retrouve ainsi dans la situation inverse, en se rapprochant de plus en plus de la normale.
Indice variable
Crédit :
B. Mollier
Conclusion
Dans un milieu d'indice variable, le rayon tourne toujours sa courbure vers les indices élevés.
Muni de ce résultat, voyons si nous pouvons expliquer les mirages.
Sur la route des vacances...
En été, la route exposée au Soleil chauffe. Sa température devient plus élevée que celle de l'air environnant. Elle chauffe à son tour l'air ambiant, plus frais. On obtient alors un gradient de température au dessus de la route. La température diminue avec l'altitude, et augmente quand on se rapproche de la route. L'air chaud possède un indice de réfraction plus faible que l'air frais. (On peut voir ça de la manière suivante : pour un même volume, l'air chaud contient moins de particules que l'air froid, c'est pour ça qu'il est plus léger et fait s'envoler les montgolfières. Comme il y a moins de particules, il se rapproche plus du vide et donc son indice tend vers 1). La lumière tourne donc sa courbure vers le haut et les indices élevés. Un rayon issu du ciel se rapproche de la route, est lentement dévié puis finalement réfléchi et repart vers le haut et l'oeil de l'automobiliste. On voit donc le ciel en bas.
Crédit :
B. Mollier
... en arrivant à la plage.
Dans le cas de la mer, le phénomène est inverse. La mer plus froide refroidit localement l'air. Il y a un gradient de température du plus froid au niveau de l'eau, au plus chaud en altitude. Un rayon partant d'une île, ou du Canigou, se réfléchit sur l'atmosphère et retombe vers l'observateur. L'île apparaît.
Crédit :
B. Mollier
Turbulence atmosphérique
Nous venons de le voir, une variation de la température provoque une variation d'indice optique.
Or, lorsque la lumière issue d'une étoile arrive au niveau de la Terre, elle traverse différentes couches d'atmosphère à différentes températures. L'atmosphère est un milieu inhomogène !
Ces variations d'indice dévient les rayons lumineux issus de l'étoile. Mais elles ne les dévient pas de la même manière en fonction de là où ils passent. L'image de l'étoile est déformée !
L'atmosphère contient de nombreuses bulles de température et donc d'indice optique différents. Ces bulles se déplacent au gré des vents. Elles dévient aléatoirement les rayons lumineux, provoquant le scintillement des étoiles. C'est la turbulence atmosphérique.
Crédit :
ASM/B. Mollier
À l'oeil, on voit alors les étoiles scintiller. Au télescope, une succession de poses courtes révèle la présence de tavelures, c'est-à-dire plein de taches qui bougent. Toutes ces tavelures sont autant d'images de l'étoile, ayant traversé différentes parties de l'atmosphère.
Tavelures
Tavelures (ou speckles en anglais), enregistrées par lors d'une pose courte (image de gauche, en vidéo inverse) ou longue (image de droite).
Crédit :
ESO