Pourquoi voit-on des mirages ?
Quand l'écart de température de l'air joue des tours à la lumière
En plein été, sous un soleil de plomb, avez-vous déjà aperçu, au bout d'une longue route goudronnée, une lueur ondoyante, comme s'il y avait une flaque d'eau ? Même en avançant, cette « flaque » reste hors d'atteinte : elle semble toujours s'enfuir à la même distance. C'est ce qu'on appelle un mirage. Que se passe-t-il donc dans l'air ?
Sur une route chaude, ou dans un grand espace dégagé comme le désert, le paysage près du sol peut sembler trembler, ou laisser voir au loin une bande lumineuse comme une nappe d'eau. Cette bande lumineuse n'est pas de l'eau : c'est la lumière du ciel qui « se reflète sur le sol », dit-on.
Pourquoi voit-on un reflet d'eau à un endroit où il n'y a rien ?
Quand le soleil chauffe fort le sol, l'air juste au-dessus chauffe aussi et devient plus léger (moins dense) que l'air environnant.
Quand la densité varie de façon continue d'un endroit à l'autre, la lumière change progressivement de direction (elle est réfractée) en avançant, dit-on.
Voyons pas à pas comment cette « différence de densité qui courbe la lumière » fonctionne.
Près du sol brûlant se forme une couche d'air plus légère que l'air ambiant
Le sol, chauffé par un soleil ardent, réchauffe l'air juste au-dessus. L'air chaud se dilate : son poids par unité de volume (sa densité) devient inférieur à celui de l'air environnant, dit-on. Il se forme ainsi, tout près du sol seulement, une mince couche d'air plus légère que l'air ambiant.
Dans un air de densité variable, la lumière change peu à peu de direction
Quand la lumière traverse la frontière entre deux milieux de densités différentes (ou deux couches d'air), sa direction se courbe légèrement. Dans une couche d'air dont la densité change de façon continue, comme près du sol, la lumière ne dévie pas d'un seul coup : elle change de direction peu à peu, en douceur, pense-t-on. Venue du ciel lointain, la lumière arrive en biais vers le sol, puis elle est courbée progressivement vers le haut à mesure qu'elle approche de cette couche d'air chaud. Résultat : à l'œil de l'observateur, elle semble provenir du sol.
Il s'agit de la vraie lumière du ciel, que la lentille de l'écart de température de l'air envoie simplement dans une direction inattendue.
Pourquoi un mirage ressemble-t-il toujours à de l'« eau » ?
Notre cerveau, quand une lumière vive, comme celle du ciel, arrive depuis le voisinage d'une surface horizontale telle qu'un sol ou une route, l'interprète volontiers comme un « reflet sur l'eau », dit-on. Lorsqu'une vraie flaque reflète le ciel, la lumière de la couleur du ciel parvient elle aussi à l'œil depuis le voisinage d'une surface horizontale. La lumière du mirage arrive de façon semblable à ce « reflet sur l'eau », et le cerveau s'y laisse prendre, pense-t-on.
À l'opposé du mirage dû à l'air chaud près du sol, lorsque l'air près de la mer est plus froid et plus lourd que l'air au-dessus, la lumière est aussi courbée et un autre type de mirage peut apparaître. Dans ce cas, le paysage lointain peut sembler flotter plus haut que sa position réelle, dit-on, et des bateaux ou des îles paraissent parfois suspendus dans les airs.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Par une journée d'été ensoleillée, regardez une route goudronnée ou un parking brûlant depuis un endroit sûr, à distance
- Observez si le paysage près du sol semble trembler
- Cherchez, sous les voitures ou le paysage lointain, une bande brillante comme une flaque
- Regardez le même endroit à une heure plus fraîche, ou depuis l'ombre, et comparez le scintillement
Attention au coup de chaleur : observez depuis un endroit sûr, à l'ombre ou dans une voiture.
En résumé
Le mirage vient, dit-on, d'une couche d'air plus légère que l'air ambiant, formée près du sol brûlant. Dans cet air dont la densité varie d'un endroit à l'autre, la lumière du ciel lointain est courbée peu à peu au fil de sa route, et l'on croit voir un reflet sur l'eau. Le fait que notre cerveau interprète volontiers comme un « reflet » la lumière venue du voisinage d'une surface horizontale contribue aussi, pense-t-on, à l'illusion de flaque.
La « flaque » au bout de la route n'est pas de l'eau : c'est une illusion sur le chemin de la lumière, créée par l'air lui-même.
La même propriété — « une onde dévie là où sa vitesse de propagation change doucement » — explique aussi pourquoi le chant des baleines porte si loin sous l'eau. Détails dans cet article. Pour un exemple où c'est la forme d'une lentille, et non l'air, qui concentre nettement la lumière en un point, voir l'article sur la loupe.
Pour aller plus loin – termes, valeurs et liens avec les manuelsDu collège à la recherche en cours : le niveau de chaque sujet est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « chimie de base » et « physique de base » du lycée
- Lycée+Contenu approfondi ou encadré des manuels du lycée
- Univ.Hors programme du lycée : matière spécialisée universitaire (optique atmosphérique)
- RecherchePas encore enseigné comme acquis, même à l'université : sujet que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : les mots du mirage
- Réfraction : phénomène par lequel la lumière change de direction à la frontière entre deux milieux de nature différente.
- Densité : poids par unité de volume.
- Mirage inférieur : mirage où l'air chaud près du sol fait apparaître le paysage reflété vers le bas.
LycéeVérifier par la formule : du rapport des températures au rapport des densités
Commençons par ce que l'on peut calculer. Entre la température et la densité de l'air existe une relation bien connue : « à pression constante, le volume d'un gaz est inversement proportionnel à sa température absolue ». On en déduit le rapport des densités.
Rapport des densités ＝ température absolue la plus basse (K) ÷ température absolue la plus haute (K)
| Température absolue | Température en degrés Celsius plus 273 (unité : K, kelvin) |
| Rapport des densités | 303 ÷ 323 ≒ 0,94 |
| Résultat | L'air chaud près du sol a environ 94 % de la densité de l'air un peu plus haut (environ 6 % plus léger) |
| Rapport des densités | 298 ÷ 333 ≒ 0,90 |
| En pourcentage | 0,90 × 100 ＝ 90 |
| Résultat | L'air chaud près du sol a environ 90 % de la densité de l'air au-dessus (environ 10 % plus léger) |
Plus l'écart de température est grand, plus l'écart de densité l'est aussi. On pense que cet écart de densité joue sur l'intensité de la réfraction de la lumière.
Lycée+Pourquoi on ne peut pas pousser la formule plus loin
Ces calculs permettent, jusqu'à l'écart de densité de l'air, de partir de relations sûres. Mais pour calculer précisément de combien, et selon quel tracé, cet écart de densité courbe la lumière, il faudrait des relations optiques plus détaillées reliant la densité à l'indice de réfraction, ainsi que des données sur une répartition des températures complexe, qui change à chaque hauteur au-dessus du sol. Le vent, le relief et l'angle du soleil font aussi beaucoup varier cette répartition, dit-on. Cet article s'en tient à ce que l'on peut affirmer avec certitude, la naissance d'un écart de densité, et ne calcule pas la courbure exacte.
Univ.Les trajets de réfraction complexes en optique atmosphérique
En optique atmosphérique, des recherches simulent par ordinateur le trajet de la lumière à partir de données de température à chaque hauteur. Plus la température varie brusquement près du sol, plus les mirages intenses sont, dit-on, faciles à observer.
RechercheCe qui reste flou
- Les techniques pour prévoir et mesurer plus précisément la répartition des températures près du sol, qui change sans cesse, restent un sujet de recherche en sciences de l'atmosphère.
- Les conditions exactes qui produisent des mirages de forme complexe, où bateaux et îles paraissent décalés de leur position réelle, continuent d'être étudiées du point de vue de l'optique météorologique.
- On travaille aussi sur des techniques d'observation optique de l'état de l'atmosphère, fondées sur le même principe de réfraction que le mirage.
Même la vision fugitive au bout d'une route cache un sujet riche, à la croisée des sciences de l'atmosphère et de l'optique, encore étudié aujourd'hui.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences · réfraction de la lumière | Vocabulaire de base : réfraction, densité, mirage inférieur |
| Lycée | Chimie de base · propriétés des gaz | Température absolue et calcul du rapport des densités |
| Lycée+ | Physique · réfraction (approfondissement) | Pourquoi la formule ne suffit pas |
| Univ. | Optique atmosphérique | Simulation du trajet lumineux à partir des températures |
| Recherche | Sciences de l'atmosphère · optique météorologique (en cours) | Prévision des températures, conditions des mirages complexes |
- Explications sur la réfraction de la lumière et la densité dans des manuels de physique.
- Explications sur la relation entre volume d'un gaz et température absolue (loi de Charles) dans des manuels de chimie.
- Synthèse de recherche sur le mécanisme des mirages en optique atmosphérique.
- Explications sur la répartition des températures près du sol et la réfraction de la lumière dans des documents de météorologie.
- Explications sur la perception de la lumière réfléchie dans des documents de psychologie de la vision.
* Les valeurs de température et de densité sont des exemples indicatifs pour comprendre le principe. Le lien réel entre densité et réfraction de la lumière exige des données optiques plus détaillées ; cet article ne calcule pas d'angle de réfraction précis.
* Cet article est une explication scientifique grand public. Si vous observez dehors par temps chaud, prenez garde au coup de chaleur et faites des pauses à l'ombre ou dans un endroit frais.