Pourquoi les « faux soleils » (parhélies) sont-ils toujours à 22 degrés du Soleil ?
― Des plaquettes de glace hexagonales flottant dans le ciel dévient la lumière d'exactement 22 degrés
Certains matins ou soirs d'hiver, de petites taches de lumière irisées apparaissent de chaque côté du Soleil. On les appelle des « parhélies ». Elles sont produites par des plaquettes de glace hexagonales qui flottent très haut dans le ciel. Chaque plaquette agit comme un petit prisme et dévie la lumière d'environ 22 degrés. De plus, elles flottent à l'horizontale, comme des feuilles mortes. Avec ces deux ingrédients, la lumière se concentre en deux points, juste à côté du Soleil.
C'est une soirée d'hiver bien dégagée. À l'ouest, un voile de nuages blancs et fins couvre le ciel.
Soudain, vous remarquez une lumière vive à droite et à gauche du Soleil couchant. Elle est rouge du côté du Soleil, de plus en plus blanchâtre vers l'extérieur, et un peu diffuse.
Certains les photographient en disant : « Il y a trois soleils ! » Pourtant, ces lumières sont toujours à peu près à la même distance du Soleil. Bras tendu, main grande ouverte, c'est la largeur du pouce au petit doigt. Pourquoi une distance aussi précise ?
Deux raisons seulement
Les cristaux de glace des nuages ont la même forme hexagonale que les flocons de neige. Quand la lumière entre par une face et sort par une face un cran plus loin, elle traverse l'équivalent d'un prisme d'angle 60 degrés. L'angle de déviation ne peut alors jamais descendre sous environ 22 degrés. C'est à cet angle minimal que la lumière s'accumule le plus.
Les cristaux en plaquette tombent lentement, face plate vers le bas, freinés par l'air. Si toutes les plaquettes sont horizontales, la lumière n'est déviée que latéralement. Seuls deux points, à gauche et à droite, à la même hauteur que le Soleil, s'illuminent.
Le premier point fixe l'écart en degrés, le second la position dans le ciel. Voyons-les tour à tour.
Pourquoi la lumière s'accumule-t-elle à « 22 degrés » ?
Un prisme fait dévier la lumière. L'angle de déviation dépend de la façon dont la lumière frappe le prisme. Mais, quelle que soit l'orientation, cet angle a une valeur minimale. Pour la glace, elle est d'environ 22 degrés.
Quand de nombreux cristaux sont orientés différemment, les angles de déviation varient aussi. Mais près du minimum, changer un peu l'orientation ne change presque pas l'angle. Beaucoup de rayons s'empilent donc autour de 22 degrés. En deçà, il n'arrive aucune lumière. C'est pourquoi le bord intérieur d'un parhélie est net.
Les couleurs se séparent parce que chaque couleur est déviée un peu différemment. La lumière rouge est moins déviée, la bleue davantage. Le rouge apparaît donc un peu plus près du Soleil, et le bleu un peu plus loin. La partie gauche de la figure 1 montre le trajet de la lumière dans la glace.
Pourquoi deux points à gauche et à droite, et non un anneau ?
Si les cristaux sont orientés dans tous les sens, la lumière est déviée de 22 degrés dans toutes les directions. Cela donne un anneau de 22 degrés de rayon centré sur le Soleil : c'est le « halo », en bas à droite de la figure 1.
En revanche, une plaquette hexagonale plate se met face vers le bas en tombant, poussée par l'air. C'est comme une feuille de papier lâchée : elle ondule, mais retombe à plat. Si toutes les plaquettes sont horizontales, la lumière qui traverse leurs côtés n'est déviée que dans le plan horizontal. Sur l'anneau, seuls les deux endroits à la hauteur du Soleil, à gauche et à droite, s'illuminent. Ce sont les parhélies.
Quand le Soleil monte, les parhélies s'écartent
En fait, « toujours 22 degrés » n'est exact que lorsque le Soleil est près de l'horizon. Quand il monte, la lumière entre dans la plaquette par le haut, en biais. Son trajet dans la glace change, et le prisme dévie la lumière plus fortement qu'en réalité.
Résultat : plus le Soleil est haut, plus les parhélies s'éloignent, en dehors du halo de 22 degrés. Au-delà d'environ 61 degrés de hauteur du Soleil, la lumière ne peut plus sortir de la plaquette et le parhélie disparaît. Si l'on en voit surtout en hiver, matin et soir, c'est aussi parce que le Soleil y reste longtemps bas. Avec le curseur de la figure 2, changez la hauteur du Soleil.
On croit souvent que les parhélies sont rares. Pourtant, les matins et soirs où de minces nuages (cirrostratus ou cirrus) voilent le ciel, ils sont étonnamment fréquents. Si presque personne ne les remarque, c'est qu'on évite de regarder tout près du Soleil éblouissant. Cachez le Soleil avec la main ou un bâtiment, puis cherchez de chaque côté.
Même pour chercher un parhélie, fixer le Soleil abîme les yeux. Masquez toujours le Soleil avec la main ou un bâtiment avant de regarder le ciel autour. Il est aussi dangereux de regarder le Soleil avec des jumelles ou dans le viseur d'un appareil photo.
En résumé
Un parhélie est une lumière formée par des plaquettes de glace hexagonales flottant haut dans le ciel. Chaque plaquette agit comme un prisme de 60 degrés et dévie la lumière d'au moins 22 degrés environ. La lumière s'accumule en masse près de ces 22 degrés. Comme les plaquettes sont de plus alignées à l'horizontale, elle ne se concentre qu'en deux points, à gauche et à droite, à la hauteur du Soleil. Quand le Soleil monte, les parhélies s'éloignent au-delà de 22 degrés.
Les 22 degrés du « faux soleil »,
c'est la limite inférieure de déviation de la lumière fixée par la glace hexagonale.
Le mécanisme des petits anneaux irisés autour de la Lune est expliqué dans Pourquoi voit-on des anneaux irisés autour de la Lune ?, et la raison de la forme hexagonale des flocons dans l'article sur les cristaux de neige.
- Tendez le bras droit devant vous et ouvrez bien la main. Du bout du pouce au bout du petit doigt, cela fait environ 20 degrés.
- Un matin ou un soir où de minces nuages blancs voilent le ciel, cachez le Soleil avec le bout du pouce (sans le regarder directement).
- Regardez vers le bout du petit doigt. Si vous y voyez une lueur diffuse, rouge côté Soleil, c'est un parhélie. Faites la même chose de l'autre côté pour vérifier qu'il y en a un de chaque côté.
Si vous en trouvez un vers le milieu de la journée, regardez s'il est décalé au-delà d'une largeur de main. Plus le Soleil est haut, plus il doit être éloigné.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeNiveau des cours de sciences au collège
- LycéeNiveau du cours de physique au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée ou encadré de manuel
- Univ.Matières universitaires non vues au lycée (optique, optique atmosphérique)
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, pas enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Parhélie : tache de lumière à gauche et à droite du Soleil, à la même hauteur. Elle est due à la réfraction dans des cristaux de glace en plaquettes alignées à l'horizontale.
- Halo (halo de 22°) : anneau lumineux d'environ 22 degrés de rayon autour du Soleil ou de la Lune. Il est dû à la réfraction dans des cristaux orientés au hasard.
- Réfraction : changement de direction de la lumière à la frontière entre l'air et la glace ou l'eau. C'est une propriété de la lumière vue au collège.
- Déviation minimale : plus petite valeur de l'angle dont un prisme dévie la lumière. Les 22 degrés des parhélies et du halo en sont un exemple.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : de quel angle un prisme de glace dévie-t-il la lumière ?
On cherche l'angle de déviation minimale (lumière le moins déviée) d'un prisme d'angle au sommet A. Une face sur deux de l'hexagone de glace forme un prisme d'angle 60 degrés.
| En symboles | D ＝ 2 × arcsin( n × sin( A ÷ 2 ) ) − A |
| En mots | Déviation minimale ＝ 2 × (l'angle dont le sinus est indice de réfraction × sinus de la moitié de l'angle au sommet) − angle au sommet |
| D'où vient-elle ? | On applique deux fois la loi de la réfraction (loi de Snell), à l'entrée et à la sortie, avec la condition que la lumière traverse le prisme de façon symétrique (déviation minimale). |
| D | Déviation minimale (degrés). Limite inférieure de l'angle dont la lumière s'écarte de sa direction initiale |
| n | Indice de réfraction de la glace (sans unité). Capacité de la glace à dévier la lumière par rapport à l'air |
| A | Angle au sommet du prisme (degrés). 60 degrés pour une face sur deux de l'hexagone |
| arcsin | Opération qui retrouve l'angle à partir de la valeur de son sinus |
| Angle au sommet A (une face sur deux de l'hexagone) | 60 degrés |
| Indice de réfraction n de la glace (couleur moyenne de la lumière visible) | 1.31, dit-on |
| Sinus de 30 degrés | 0.5 |
| Angle dont le sinus vaut 0.655 | environ 40.9 degrés |
| Moitié de l'angle au sommet | 60 ÷ 2 ＝ 30 |
| Indice × sinus de 30 degrés | 1.31 × 0.5 ＝ 0.655 |
| Doubler cet angle (environ 40.9 degrés) | 40.9 × 2 ＝ 81.8 |
| Retrancher l'angle au sommet : déviation minimale | 81.8 − 60 ＝ 21.8 |
La lumière est déviée d'au moins 21.8 degrés environ. Voilà ce que cachent les « 22 degrés ». Pour la lumière rouge (indice d'environ 1.307), on obtient environ 21.6 degrés ; pour la bleue (environ 1.317), environ 22.4 degrés. C'est pourquoi le rouge est du côté intérieur.
| Largeur d'une main ouverte, bras tendu | environ 20 degrés, dit-on |
| Diamètre apparent du Soleil | environ 0.5 degré |
| Distance du parhélie divisée par la taille du Soleil | 21.8 ÷ 0.5 ≒ 44 |
Un parhélie se trouve à environ 44 diamètres de Soleil côte à côte. Retenez : un peu au-delà d'une largeur de main, et il sera plus facile à trouver.
LycéeLycée+Pourquoi est-ce plus lumineux au « minimum » ?
LycéeEn physique au lycée, on apprend que la déviation d'un prisme varie avec l'angle d'incidence et passe par un minimum. Près de ce minimum, changer un peu l'angle d'incidence ne change presque pas la déviation. Les rayons de nombreuses incidences s'empilent sur la même déviation, et cette direction paraît brillante. Les 42 degrés environ de l'arc-en-ciel s'expliquent aussi par un extremum d'angle de déviation dans les gouttes d'eau.
Lycée+Quand le Soleil est haut, la lumière entre en biais par la face latérale de la plaquette. En ne regardant que la déviation horizontale, tout se passe comme avec un prisme d'indice plus grand que l'indice réel. Cet indice apparent, dit « indice de Bravais », s'écrit √( n² − sin²h ) ÷ cos h, où h est la hauteur du Soleil. Le mouvement de la figure 2 est calculé avec cette formule. Quand l'indice apparent dépasse 2, la lumière ne sort plus de la plaquette : cela correspond à une hauteur solaire d'environ 61 degrés.
Univ.Optique atmosphérique : la famille des halos
On appelle « halos » l'ensemble des phénomènes lumineux produits par les cristaux de glace de l'atmosphère. En optique atmosphérique universitaire, on calcule par tracé de rayons la figure produite par chaque combinaison de forme (plaquette, colonne) et d'orientation (horizontale, aléatoire, en rotation). Une base et une face latérale de plaquette (angle au sommet 90 degrés) donnent le halo de 46 degrés ; la lumière réfléchie sur la face supérieure de plaquettes horizontales donne le pilier solaire. Si la lumière se réfléchit au moins deux fois dans des plaquettes horizontales, on obtient le « cercle parhélique », qui fait le tour du ciel à la hauteur du Soleil.
📖 Dérivation des formules et approfondissements : Parhélie (Wikipédia) ／ Halo (Wikipédia) ／ Loi de Snell (Wikipédia)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- À quel point les plaquettes sont-elles horizontales ? D'après l'étalement des parhélies, la dispersion de l'inclinaison des plaquettes serait de quelques degrés au plus. Mais mesurer directement le mouvement de cristaux qui oscillent en tombant est difficile, et l'effet de la taille et de la forme est encore à l'étude.
- Quels cristaux produisent les halos les plus rares ? Pour certains arcs très rares, les avis divergent sur la forme et l'orientation des cristaux responsables.
- Forme des cristaux des cirrus et température de la Terre. Selon la forme des cristaux, la part de lumière solaire renvoyée par le nuage change. Intégrer correctement l'effet des nuages dans les prévisions climatiques reste un grand défi.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Le chiffre de 22 degrés est sûr, mais la forme exacte des cristaux qui flottent dans le ciel reste à étudier.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « réfraction de la lumière », « formation des nuages » | La lumière qui dévie dans la glace, les nuages d'altitude faits de glace |
| Lycée | Physique : « réfraction, dispersion, prisme » | Calcul de la déviation minimale, raison pour laquelle le rouge est à l'intérieur |
| Lycée+ | Physique approfondie (arc-en-ciel, extremum du prisme) | Pourquoi la lumière s'accumule au minimum, indice de Bravais |
| Univ. | Optique, optique atmosphérique, physique des nuages | Classification des halos, halo de 46°, cercle parhélique |
| Recherche | Physique des nuages, science du climat | Dispersion de l'orientation des cristaux, cirrus et climat |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Observer le ciel d'hiver matin et soir ; les nuages fins annoncent souvent un changement de temps |
- Wikipédia (en japonais), « Parhélie »
- Wikipédia (en japonais), « Halo »
- Walter Tape, "Atmospheric Halos", American Geophysical Union (1994)
- Robert Greenler, "Rainbows, Halos, and Glories", Cambridge University Press (1980)
- David K. Lynch, William Livingston, "Color and Light in Nature", Cambridge University Press
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs données sont des repères et des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. Ne regardez jamais le Soleil directement, ni avec des jumelles ou un appareil photo.