Pourquoi voit-on un petit halo irisé autour de la Lune ?
― Plus les gouttelettes du nuage sont petites, plus l'anneau s'élargit
Par une nuit d'automne où l'on contemple la Lune, un fin nuage peut faire apparaître un anneau irisé et flou autour d'elle. C'est ce qu'on appelle une « couronne ». La lumière contourne les bords des minuscules gouttelettes d'eau du nuage. Fait curieux : plus les gouttelettes sont petites, plus l'anneau s'élargit.
Une nuit de pleine lune, alors que vous levez les yeux, un nuage fin se met à défiler.
Vous craignez que la Lune ne disparaisse, mais à la place, un halo circulaire se diffuse autour d'elle : bleuâtre à l'intérieur, roux-rouge à l'extérieur. À chaque mouvement du nuage, l'anneau grandit ou rétrécit.
Vous vous souvenez peut-être du dicton « Lune voilée, pluie assurée ». Mais ce petit anneau n'a rien à voir avec le « halo » dont parle ce dicton.
Deux raisons seulement
Quand la lumière de la Lune frappe une gouttelette d'eau du nuage, elle se diffuse légèrement en contournant son bord. Ce contournement s'appelle la « diffraction ». Les ondes lumineuses ainsi diffusées s'additionnent dans certaines directions et s'annulent dans d'autres, formant des anneaux concentriques autour de la Lune.
L'angle de contournement augmente quand la gouttelette rétrécit. De plus, la lumière rouge, dont l'onde est plus longue, se courbe davantage. C'est pourquoi l'extérieur de l'anneau est rouge, et les couleurs sont plus nettes quand les gouttelettes du nuage ont toutes la même taille.
Voyons cela dans l'ordre. À la fin, nous verrons aussi comment distinguer ce phénomène du « halo ».
Les gouttelettes d'eau font « contourner » la lumière
Un nuage est un amas de gouttelettes d'eau d'environ un centième de millimètre de diamètre. La lumière de la Lune ne passe pas simplement tout droit entre ces gouttelettes. Comme la lumière est une onde, elle change légèrement de direction au bord de chaque gouttelette et se diffuse.
C'est le même phénomène qu'une vague à la surface d'un étang qui contourne un piquet planté dans l'eau. La vague contournée devient, selon l'endroit, plus lumineuse là où crête et crête se superposent, ou plus sombre là où crête et creux se superposent. Ces directions claires et sombres forment des cercles concentriques autour de la Lune.
Essayez de modifier la taille des gouttelettes du nuage avec le curseur de la figure 1. En réduisant les gouttelettes, vous verrez l'anneau s'élargir nettement.
Certains nuages font ressortir les couleurs, d'autres non
L'angle de contournement de la lumière varie aussi selon sa couleur. La lumière rouge, dont l'onde est plus longue, se courbe davantage que la lumière bleue, dont l'onde est plus courte. C'est pourquoi le cercle de lumière bleuâtre est bordé de roux-rouge à l'extérieur, suivi d'anneaux vert puis rouge.
Cependant, on ne voit de belles couleurs irisées que lorsque les gouttelettes du nuage ont toutes à peu près la même taille. Si les tailles varient trop, chaque gouttelette produit un anneau de taille différente, et ces anneaux se superposent. Les couleurs se mélangent alors, et l'on n'obtient qu'un halo blanchâtre flou autour de la Lune.
Les gouttelettes ont tendance à être uniformes dans les nuages fins qui viennent de se former. Les nuages disposés en écailles de poisson dans le ciel élevé, ou les bords des nuages qui défilent rapidement, sont de bons sujets d'observation. Le même mécanisme produit l'« irisation des nuages », où le nuage lui-même brille de couleurs irisées.
Le « halo » dont parle le dicton est un anneau formé par la réfraction de la lumière dans des cristaux de glace du ciel élevé. Son rayon est toujours d'environ 22 degrés — à peu près la largeur d'une main tendue à bout de bras. La couronne, elle, entoure la Lune de très près, avec un rayon de quelques degrés seulement. La position du rouge est aussi inversée : le halo est rouge à l'intérieur, la couronne est rouge à l'extérieur.
Lors des jours où le pollen de cèdre ou de cyprès japonais abonde dans l'air, une couronne peut apparaître autour du Soleil ; on l'appelle « couronne de pollen ». Comme les grains de pollen ont une taille très uniforme, les couleurs y seraient particulièrement nettes. Ne regardez jamais le Soleil directement, car cela abîme les yeux : cachez-le derrière un bâtiment ou un poteau électrique pour l'observer.
En résumé
Le petit anneau irisé autour de la Lune est une « couronne », créée par la lumière qui contourne les bords des gouttelettes d'eau du nuage. Plus les gouttelettes sont petites, plus la lumière se courbe fortement, et plus l'anneau s'élargit. La taille de l'anneau permet même d'estimer la taille des gouttelettes du nuage, pourtant hors de portée.
La taille de l'anneau autour de la Lune
est une mesure de la taille des gouttelettes du nuage.
D'autres articles abordent la diffusion de la lumière en tant qu'onde : l'arc blanc dans le brouillard, les motifs lumineux qu'on voit en regardant un lampadaire à travers le tissu d'un parapluie, ou encore le point lumineux au centre de l'ombre d'un disque.
- Quand un nuage fin passe devant la Lune, observez s'il y a une lumière bleuâtre entourée d'un bord roux-rouge.
- Tendez le bras, le pouce levé, et comptez combien de largeurs de pouce (environ 2°) représente le rayon de l'anneau.
- Au fil du défilement du nuage, observez si la taille de l'anneau et la netteté des couleurs changent.
Plus l'anneau est grand, plus les gouttelettes de ce nuage sont petites. Si l'anneau est aussi large qu'une main tendue, ce n'est pas une couronne, mais un « halo » dû à des cristaux de glace.
Pour en savoir plus ― terminologie, formules et liens avec les manuels scolairesdu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeniveau du programme de sciences au collège
- Lycéeniveau du programme de physique au lycée
- Lycée+approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- Universitécontenu non enseigné au lycée, matière universitaire spécialisée (optique, optique atmosphérique)
- Recherchesujet encore à l'étude, pas encore enseigné comme acquis même à l'université
CollègeTerminologie : ce phénomène a un nom
- Couronne : petit anneau coloré qui se forme juste autour de la Lune ou du Soleil, créé par les gouttelettes d'eau du nuage, entre autres.
- Diffraction : phénomène par lequel une onde contourne le bord d'un obstacle ou passe par une fente en se diffusant. Se produit aussi avec le son ou les vagues à la surface de l'eau.
- Halo : phénomène où la lumière traverse des cristaux de glace en se courbant (réfraction), formant un anneau d'environ 22 degrés de rayon. Distinct de la couronne.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quel est le rayon de l'anneau ?
Estimons le rayon de l'anneau formé par la lumière verte pour une gouttelette de nuage de 10 micromètres de diamètre. On convertit l'angle en le comparant au diamètre apparent de la Lune, pour se donner une idée concrète.
| En notation symbolique | θ ≒ 1,22 × λ ÷ d (θ en radians) |
| En mots | Angle du rayon de l'anneau ＝ 1,22 × longueur d'onde de la lumière ÷ diamètre de la gouttelette du nuage |
| D'où vient cette formule | C'est la formule qui donne la direction où les ondes lumineuses contournant le bord de la gouttelette s'annulent exactement (le premier anneau sombre). Une gouttelette ronde produit le même motif de diffraction qu'un trou rond de même taille. |
| θ | angle du rayon de l'anneau (en radians ; 1 radian ≈ 57,3 degrés) |
| λ | longueur d'onde de la lumière (en micromètres ; environ 0,55 pour la lumière verte) |
| d | diamètre de la gouttelette du nuage (en micromètres) |
| 1,22 | coefficient lié à la forme circulaire (déterminé par la diffraction d'un disque) |
| Longueur d'onde de la lumière verte | environ 0,55 micromètre |
| Diamètre de la gouttelette (exemple) | environ 10 micromètres |
| 1 radian converti en degrés | environ 57,3 degrés |
| Diamètre apparent de la Lune | environ 0,5 degré |
| Coefficient × longueur d'onde | 1,22 × 0,55 ≒ 0,671 |
| Division par le diamètre (en radians) | 0,671 ÷ 10 ≒ 0,0671 |
| Conversion en degrés | 0,0671 × 57,3 ≒ 3,84 |
| Nombre de Lunes correspondant | 3,84 ÷ 0,5 ≒ 7,7 |
| Si la gouttelette est moitié plus petite (5 µm) | 3,84 × 2 ≒ 7,7 |
| Le halo (22°), combien de fois plus grand que la couronne ? | 22 ÷ 3,84 ≒ 5,7 |
Pour une gouttelette de 10 micromètres de diamètre, le rayon de l'anneau est d'environ 3,8°, soit presque 8 Lunes alignées. Si la gouttelette est deux fois plus petite, l'anneau double et atteint environ 7,7°. Le halo est environ 6 fois plus grand encore, ce qui permet de les distinguer d'un coup d'œil.
LycéeLycée+Diffraction des ondes et séparation des couleurs
LycéeLe programme de physique du lycée enseigne la « diffraction », par laquelle une onde contourne une fente ou un bord, et l'« interférence », par laquelle des ondes se superposent pour s'additionner ou s'annuler. La couronne est un exemple où ces deux phénomènes se produisent simultanément. La formule montre aussi que plus la longueur d'onde est grande (lumière rouge), plus l'anneau est grand.
Lycée+La gouttelette n'est pas un trou mais un obstacle, et pourtant elle produit le même motif de diffraction qu'un trou de même taille. C'est ce qu'on appelle le « principe de Babinet ». On peut donc appliquer directement aux gouttelettes de nuage la formule bien connue de la diffraction par un trou circulaire.
UniversitéDiffraction de Fraunhofer et disque d'Airy
Quand une lumière parallèle venue de loin contourne un petit disque, elle forme un motif dit de « diffraction de Fraunhofer ». Le disque lumineux central s'appelle le « disque d'Airy », et l'angle de son bord est 1,22 × λ ÷ d. Le cercle bleuâtre de la couronne correspond à la projection de ce disque dans le ciel. Quand la gouttelette devient proche de la longueur d'onde en taille, cette approximation ne tient plus, et il faut calculer précisément avec la théorie de la « diffusion de Mie ».
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : Disque d'Airy (Wikipédia, en japonais) ／ Diffraction de Fraunhofer (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore clairement
- Les cristaux de glace peuvent-ils aussi créer une couronne ? Des couronnes dues à de minuscules cristaux de glace du ciel élevé ont été rapportées, et l'on étudie dans quelles conditions elles se produisent.
- La forme de la couronne de pollen. On pense que la couronne due au pollen n'est pas toujours un cercle parfait, mais peut être déformée. Le lien avec la forme et l'orientation des grains de pollen est encore à l'étude.
- Mesurer la taille des gouttelettes du nuage à partir de la couronne. Des tentatives existent pour estimer la taille des gouttelettes à partir de la taille et de la couleur de l'anneau. Mais jusqu'où l'on peut lire la dispersion des tailles de gouttelettes reste un sujet de recherche en cours.
Le contenu de cet article reste donc « une explication dans la limite des connaissances actuelles ». La formule du rayon de l'anneau n'est qu'une estimation valable pour des gouttelettes d'eau rondes et de taille uniforme.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie de l'article correspondante |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « propriétés de la lumière », « formation des nuages » | Le nuage comme amas de gouttelettes d'eau, différences de couleur de la lumière |
| Lycée | Physique « diffraction et interférence des ondes » | Lumière contournant le bord des gouttelettes, anneau plus grand pour le rouge |
| Lycée+ | Approfondissement physique « principe de Babinet » | Gouttelette et trou produisant le même motif |
| Université | Optique, optique atmosphérique | Diffraction de Fraunhofer, disque d'Airy, diffusion de Mie |
| Recherche | Optique atmosphérique, physique des nuages | Couronne due aux cristaux de glace, forme de la couronne de pollen, estimation de la taille des gouttelettes |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Distinguer couronne et halo lors d'une soirée d'observation de la Lune |
- Couronne (光冠, Wikipédia japonais)
- Kiyotaka Shibata, « Météorologie de la lumière » (光の気象学), Asakura Shoten (朝倉書店)
- M. Minnaert, « Light and Color in the Outdoors », Springer
- D. K. Lynch, W. Livingston, « Color and Light in Nature », Cambridge University Press
※Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Lors de l'observation d'une couronne autour du Soleil, ne regardez jamais le Soleil directement.