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C'est le même phénomène qui explique la réfraction d'un objet plongé à mi-longueur dans un liquide ou le phénomène de l'arc-en-ciel. Sachant que l'essentiel de l'atmosphère se concentre dans les premiers 5500 m au-dessus du sol, lorsque la lumière solaire vient de l'horizon elle doit traverser un volume d'air près de dix fois plus épais que la couche d'air que nous avons au-dessus de la tête. L'effet de la réfraction n'étant pas linéaire et il devient plus apparent à mesure que le Soleil descend sur l'horizon où il atteint son effet maximum lorsque les rayons solaires arrivent horizontalement.
Dans l'atmosphère terrestre la réfraction de la lumière ne représente qu'une faible déviation (1' à 45° du zénith) mais le phénomène est fortement amplifié lorsque la lumière traverse les basses couches de l'atmosphère où la déviation est décuplée sur l'horizon (33', soit un peu plus que le diamètre du Soleil). On compare parfois ce phénomène à l'effet grossissant produit par une lentille cylindrique horizontale; les couches laminaires d'une atmosphère calme fait alors office de loupe. Sur la réfraction se greffe ensuite le phénomène de la diffusion de la lumière. Les longueurs d'ondes les plus courtes subissent une réfraction très importante qui provoque une décomposition de la lumière blanche dans ses différentes couleurs primaires.
Plus le Soleil est bas sur l'horizon plus la lumière parcourt une longue distance dans l'atmosphère et plus elle est diffusée, ne laissant parfois parvenir à l'observateur que les rayons rouges, donnant au ciel des couleurs enflammées comme en témoigne la gallerie d'images des couchers de Soleil. Ceci est le cas d'école car en réalité comme nous l'avons expliqué des effets de mirage se greffent souvent sur ce phénomène et modifient l'aspect apparent du disque du Soleil et l'endroit où se manifeste le rayon vert. En de très rares circonstances et malgré la diffusion de la lumière bleue un rayon bleu peut apparaître comme en témoigne la simulation présentée ci-dessous.
En pratique en présence de mirage au coucher du Soleil les longueurs d'onde les plus courtes (bleues et vertes) s'élèvent plus haut que les longueurs d'ondes plus longues (rouge) suite à la réfraction atmosphérique dans les basses couches. Dans ces conditions les rayons rouges peu réfractés peuvent se coucher et disparaître prématurément avant les rayons bleus et verts qui peuvent subsister alors que le Soleil est déjà sous l'horizon depuis quelques secondes. Si le limbe du Soleil est encore visible, sa partie supérieure ou l'appendice qui s'en est détachée par l'effet d'un mirage prend alors une couleur verte ou bleutée. Dans d'autres circonstances si la couleur rouge de l'atmosphère est accentuée le flash bleuté peut disparaître. Il ne reste alors que le rayon vert. Les conditions d'apparition du rayon vert Ce phénomène est rare car il est conditionné par des facteurs météos particuliers mais également parce qu'il demande à l'observateur une certaine expérience. Si son nom anglais est ambigu, parler de rayon l'est tout autant car il est peu représentatif de son effet. En fonction de la position de l'observateur par rapport à l'horizon, ce phénomène peut durer une fraction de seconde comme il peut persister plus de 15 secondes. La visibilité du rayon vert est principalement conditionnée par quatre facteurs : - Une atmosphère calme et laminaire (stratifiée) - Une différence de température entre le sol et la basse atmosphère (mirage inférieur) - L'ampleur de la pente du profil de l'inversion de température - L'absence d'objets, de nuage et de poussière à l’horizon - La hauteur de l'observateur. Un théorème important de l'optique atmosphérique nous dit que les images multiples ou inversées qui caractérisent les mirages peuvent uniquement se produire sous l'horizon astronomique, c'est-à-dire sous l'intersection entre le plan de l'horizon et la sphère céleste. Etant donné qu'en fonction de l'altitude l'horizon peut plonger loin derrière la courbure de la Terre, c'est la hauteur de l'oeil de l'observateur qui détermine la déclivité de l'horizon apparent et donc en corollaire la largeur de la zone entre ciel (horizon astronomique) et terre (déclivité) où se produisent les mirages. En fait si vous pouvez disposer d'un horizon est ou ouest dégagé à quelques mètres au-dessus du niveau de la mer ou en altitude, si vous pouvez distinguer la courbure apparente de la Terre vous avez quelques chances d'observer des mirages et le rayon vert. Les régions d'altitude restent en théorie des endroits privilégiés car l'horizon apparent plonge à plusieurs minutes d'arc sous l'horizon astronomique où les effets des mirages sont les plus apparents. Mais bien souvent en altitude l'horizon est caché par les montagnes et les gens s'y aventurent beaucoup moins que sur la plage. Bien sûr il reste des sites privilégiés comme la Sierra Nevada en Espagne ou les hauts-lieux de l'astronomie (La Silla, Cerro Tololo, Hawaii, etc) qui se situent au-dessus des couches nuageuses et où ces phénomènes peuvent se manifester si l'horizon est dégagé de toute mer de nuages. D'un autre côté le bord de mer reste en pratique l'endroit le plus accessible et il remplit plusieurs des conditions requises : d'une part la réfraction atmosphère y est plus importante lorsque le Soleil est bas sur l'horizon et d'autre part votre ligne de mire est pratiquement parallèle à l'horizon. Profitez de l'occasion pour vous élever de quelques mètres, le rayon vert sera plus dense.
Où chercher le rayon vert ? Lorsque le disque du Soleil descend sur l'horizon et est encore apparent, bien que son rayonnement soit atténué par l'extinction atmosphérique il est encore suffisamment brillant pour nous éblouir. Il est donc prudent de porter des lunettes solaires ou d'utiliser un filtre gris neutre pour l'observer et éviter ainsi tout problème ultérieur. A mesure que le Soleil traverse les couches les plus denses de l'atmosphère, la partie supérieure et stratifiée du disque peut se détacher comme si l'atmosphère pinçait le disque du Soleil libérant un ballonnet ou un petit flotteur. C'est dans cet appendice ou en bordure du limbe supérieur que le rayon vert peut apparaître. Selon la densité de l'air, des vents et des effets optiques de la réfraction cette excroissance supérieure peut subir des modifications plus ou moins importantes et soudainement prendre une couleur verdâtre, c'est le rayon vert ! Sa couleur peut être accentuée par contraste avec la couleur du fond du ciel ou rester relativement pâle si le Soleil est brillant. Enfin notre sensibilité rétinienne individuelle influencera l'impression colorée. Il est toutefois rare que la couleur du phénomène soit vive.
Conditions extraordinaires Des témoins ont rapporté que le rayon vert fut observé à la fin des éclipses solaires comme ce fut le cas à Madagascar lorsque le Soleil déclina à l'horizon ouest ou au-dessus du canal du Mozambique quelques minutes après le 4e contact. Le rayon vert est associé aux effets de mirages mais également à l'effet Novaya Zemlya, nom des deux grandes îles appartenant à la chaîne de l'Oural situées près du cercle Arctique où l'éclat du Soleil joue à cache-cache avec la courbure de la Terre même après le coucher du Soleil lorsqu'une forte inversion thermique se manifeste près du sol (ces îles sont également connues pour avoir servi de site de test pour les bombes atomiques jusqu'en 1990). L'effet Novaya Zemlya se produit principalement aux latitudes élevées lorsque le Soleil forme un angle très réduit avec le plan de l'horizon local mais il peut également se produire aux latitudes moyennes et durer plusieurs minutes après le coucher du Soleil.
En corollaire rappelons que tous les objets brillants situés près de l'horizon peuvent produire des rayons verts : la Lune, Vénus, Jupiter ou les étoiles les plus brillantes comme Sirius. Mais ne vous attendez pas à voir toutes les étoiles vertes car près de l'horizon l'extinction atmosphérique et la pollution réduisent la magnitude des astres d'un facteur dix à cent et la plupart deviennent invisibles à quelques degrés de l'horizon.
Je remercie Andrew T. Young du SDSU pour les corrections constructives qu'il a apporté à la rédaction de ce dossier. Pour plus d'information Les couchers de Soleil, meteo.org Simulation de phénomènes physiques (Université de Lyon 1) An Introduction to Green Flashes, Andrew T.Young (étude exhaustive avec photos, animations et liens) Ocean & Atmospheric Optics, Texas A&M University Il raggio verde, Leggenda e realtà (Unione Astrofili Italiani, also in English) Marco Meniero (galleries météo et astro) Calcul
de l'indice de réfraction de l'air (A.T.Young)
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