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Les halos lunaires et solaires

Un magnifique halo solaire photographié par Marko Riikonen au pôle Sud le 11 janvier 1999.

Phénomènes météorologiques

Nous allons décrire des phénomènes lumineux que nous n'avons pas souvent l'occasion d'observer dans toute leur étendue sous les latitudes moyennes, à savoir les halos lunaires et solaires et autres colonnes lumineuses.

L'explorateur polaire soviétique Ignatov écrivait en 1958, "Dans le ciel, le disque d'or de la Lune était ombragé par le reflet d'une croix de forme parfaite..."

Ce phénomène lumineux est le halo atmosphérique, qui peut aussi se produire autour du Soleil. Il faut avoir le nez en l'air pour l'observer, bénéficier d'un ciel clair et de conditions météos particulières, des raisons suffisantes pour lesquelles on les observe peu souvent.

Cette étonnante et merveilleuse réalisation de la nature s'explique par un phénomène semblable à l'arc-en-ciel. Il est provoqué par la réflexion et la réfraction de la lumière dans les cristaux ou des aiguilles de glace en suspension dans l'air, c'est-à-dire qu'il prend naissance lorsque des cirrus sont en formation ou lorsqu'il y a du brouillard glacé.

La météorologie a défini plusieurs phénomènes optiques associés au halo :

- Le halo de 22° de rayon

- Le halo de 46° de rayon

- Les parhélies (ou parsélènes dans le cas de la Lune)

- L'arc parhélique (ou arc parsélénique dans le cas de la Lune)

- Les parenthélies (ou parensélènes dans le cas de la Lune)

- L'anthélie (ou antisélène dans le cas de la Lune)

- L'arc tangeant supérieur

- L'arc de Parry

- L'arc circumzénithal.

Citons séparément la couronne car elle peut apparaître séparément des autres phénomènes..

Logiciel à télécharger : HaloSim3

Description géométrique du halo solaire.

Le halo de 22° ou petit halo

C'est le plus commun. Il se manifeste de temps en temps dans les régions des latitudes moyennes (30-50°) à l'approche d'un front, mais il est surtout visible dans les régions polaires. Il s'observe plus rarement que le halo solaire. Il forme un anneau lumineux de plus ou moins 1.5° d'épaisseur autour du Soleil ou de la Lune. Cet anneau lumineux paraît blanc pâle, parfois irisé de rouge à l'intérieur et de bleu à l'extérieur. Cet anneau peut être partiel (un arc). Quant à sa formation, elle ressort de la théorie de l'optique classique.

Le halo de 22° (de rayon) se forme lorsque la lumière du Soleil ou de la Lune se réfracte à travers des cristaux de glace en suspension dans l'air de forme cylindrique à base hexagonale ou de plaques hexagonales.

Ces types de cristaux se forment à partir de la vapeur d'eau lorsque la température descend entre -5 et -25°C, leurs tailles atteignant 50 à 100 microns. On peut observer ce halo par temps froid lorsque le ciel est légèrement brumeux ou envahi de cirrostratus. Il est donc très commun dans les régions nordiques.

Le paraselene ou halo lunaire. Ci-dessus à gauche, un quadruple halo : des halos lunaires de 22° et de 46° complétés par un arc infralatéral et un arc circonscrit (cf. la légende). A droite, un halo de 22°. Ci-dessous à gauche, un halo lunaire de 22°. Au centre, un halo de 22° photographié en mars 2018 au-dessus de Pontypridd Common, au Pays de Galles. Les pierres levées remontent au XVIIIe.s. A droite, halo lunaire observé le 15 juin 1911 par Scott et son équipage lors de sa dernière expédition en Antarctique. On reconnaît les halos de 22 et de 46°, les piliers solaires (traits verticaux) et l'arc tangeant supérieur. Documents Dani Caxete, Juan Carlos Casado, Univ.Mainz/Marc Hellwig, Alyn Wallace et NOAA Photo Library.

Bien qu'un nuage glacé soit constitué de cristaux orientés aléatoirement, ceux-ci réfractent néanmoins la lumière sous un angle constant de 22°. En effet, deux faces adjacentes d'un cristal hexagonal forment entre elles un angle de 60°. Un rayon pénétrant par une des faces ressort en tant que rayon émergeant, formant avec le rayon incident un angle appelé "angle de déviation". Lorsque l'angle incident augmente de 0 jusqu'à 90° (perpendiculaire à la surface), l'angle de déviation décroît de façon constante et atteint une valeur minimale (22°), soit augmente.

Le bord intérieur du halo, quelquefois coloré (bleu, rouge) est net et correspondant à la déviation minimale, tandis que la zone extérieure plus diffuse est formée des rayons qui traversent le cristal de glace sous d'autres angles.

Comment reconnaître un halo de 22° ? Il vous suffit de tendre le bras et de masquer la source lumineuse avec la base du poignet. Par rapport à l'oeil, l'angle formé par le bas du poignet et le sommet du pouce levé sous-tend un arc de 22°. On peut aussi utiliser l'angle entre le petit doigt poignet fermé et le pouce levé.

A gauche, parhélies (sundogs) formés à l'extérieur du petit halo lunaire par les cristaux de glace hexagonaux photographié par Philip I. Anderson au Kansas. Document Weatherwise. Dessin T.Lombry. A droite, utilisation de la main pour évaluer les distances angulaires.

Le grand halo ou halo de 46°

Il est également dû aux phénomènes de réflexion et de réfraction. Cependant dans ce cas-ci le rayon incident passe par la base du prisme et l'une des faces. Il est moins fréquent que le halo de 22° et également plus pâle.

Autres phénomènes lumineux

D'autres phénomènes peuvent accompagner les voiles de cirrus et de cirrostratus.

Les "faux soleils" ou parhélies sont les phénomènes les plus connus. Ils sont provoqués par la réfraction de la lumière à travers des plaquettes de glace minces, plates et à six côtés en suspension dans l'air. Ils se différencient des halos par le fait que les cristaux qui les composent ont leur face plane orientée parallèlement à l'horizon alors que ceux formant les halos peuvent prendre n'importe quelle orientation. Dans le cas de la Lune, on parle de parasélènes.

La taille des cristaux des parhélies dépasse 30 microns et est supérieure à celle formant les halos. Vu leur taille plus importante et le fait qu'ils sont tous orientés de la même façon (position de chute verticale) ils forment des points d'irrisations très brillants sur le petit halo ou juste à l'extérieur de celui-ci. Ce phénomène apparaît également avec le grand halo mais il est beaucoup plus rare.

Trois magnifiques halos solaires complets avec arc de Parry. Ci-dessus, une photo prise par Joshua Thomas à Red River au Nouveau Mexique (USA) le 9 janvier 2015 au lever du Soleil. Plus de détails sur Earthsky. Ci-dessous à gauche, une photo prise au-dessus du delta de Coleville River au nord de l'Alaska le 27 mars 2017 à 12h30 locale par James Helmericks. A droite, une photo prise dans les Alpes suisses fin novembre 2019. Document Michael's Beers & Beans.

L'arc circumzénithal est un phénomène intéressant mais assez rare. Il ne peut apparaître que si la hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon est inférieure à 32.2°. Au départ l'arc circumzénithal apparaît comme un point brillant au zénith, puis il se transforme en un arc-de-cercle coloré au fur et à mesure que le Soleil descend vers l'horizon.

Il existe également des arcs-de-cercles juste au-dessus et en dessous du halo de 22° nommés "arc tangeant supérieur", "arc tangeant inférieur" et "arc de Parry", nom de l'explorateur britannique qui les décrivit le premier en 1821. Les arcs tangents supérieurs et inférieurs sont créés par la réfraction de la lumière du Soleil (ou de la Lune) à travers des cylindres de glace hexagonaux presque horizontaux.

La colonne solaire est un pilier ou colonne verticale qui se dresse au-dessus et en dessous du Soleil, surtout lors des phases du Soleil levant ou couchant, cette colonne prenant une coloration rouge ou orangée.

Lorsque la colonne, le cercle parhélique et le petit halo apparaissent simultanément, il y a formation d'une croix lumineuse qui, dans de nombreux récits anciens était considérée comme "un signe de Dieu".

A gauche, un halo solaire complet de 46° avec arc de Parry photographié en Antarctique par Bernd Schumacher. Au centre, arcs parhéliques et halo pâle de 22° photographiés le 5 décembre 2000 au pôle Sud par John Storey. A droite, des parhélies combinés à un pilier ou colonne solaire photographiés en Suède par Mats Mattsson.

Il y a également le pilier ou colonne lumineuse qui se manifeste par temps froid en présence de neige ou de cristaux de glace en suspension dans l'air et d'une forte lumière, le Soleil, la Lune, l'éclairage public ou celui des véhicules. Le ciel est généralement un peu voilé (l'horizon est voilé mais les étoiles peuvent être visibles) ou couvert d'une couche de nuages élevé (cirrostratus), moyens (altostratus) ou bas (stratocumulus) comme on le voit ci-dessous.

Les colonnes lumineuses s'élèvent verticalement sur 5 à 10° au-dessus ou en dessous des sources lumineuses. Il est rare qu'elles apparaissent à plus de 20° au-dessus du Soleil. Dans le cas des lumières artificielles, comme les arcs-en-ciel, à mesure qu'on s'en approche (ou que le véhicule approche), les colonnes deviennent plus larges et s'élèvent dans le ciel.

A lire : Light Pillars, Islandnet

A gauche, piliers ou colonnes lumineuses photographiées par Mike Reva en janvier 2012 à Orehovo, à 70 km au nord de Saint Pétersbourg en Russie par -27°C au moyen d'un APN Canon EOS 5D Mark II équipé d'un objectif de 20 mm f/4. Exposition de 30 secondes à 2500 ISO. Au centre et à droite, des piliers photographiés à Fairbanks en Alaska par Allisha Lynn la nuit du 22 janvier 2015 avec un APN Canon EOS 6D. Les sources sont les lumières artificielles (habitations et lampadaires).

Les cristaux de glace formant les colonnes lumineuses se forment généralement entre -5°C et -8°C ou sous -25°C. Ils ont une forme plate hexagonale ou en colonne ce qui explique que leur surface réfléchisse facilement la lumière dans la direction de l'observateur. Etant en suspension dans l'air, les cristaux plats tombent comme des feuilles mortes tandis que les gros cristaux (entre 20 nm et 1 mm de longueur) tombent avec leur grand axe parallèle au sol, pouvant parfois tourner sur eux-mêmes comme les pales d'un hélicoptère. Ils peuvent donc scintiller sous la lumière. Lorsque les cristaux sont parfaitement alignés avec le sol, ils forment une colonne étroite et brillante. S'ils dévient de leur alignement, la colonne s'élargit et peut même se détacher de la source lumineuse.

Enfin, il y a la couronne formant des anneaux colorés d'un rayon d'environ 10° autour du Soleil ou de la Lune. Elle peut aussi apparaître autour de l'ombre portée par un objet ou une personne sur du brouillard dense ou des nuages, y compris en altitude, autour de l'ombre des avions projetées sur des nuages. Ce phénomène est provoqué par la diffraction de la lumière par de petites gouttes d'eau ou de glace à proximité de la direction du Soleil (ou de la Lune).

Photographie

La photographie de ces phénomènes atmosphériques est facile. Il suffit de saisir cette occasion, d'avoir un appareil photographique sous la main et de surveiller l'état du ciel. Notons que dans le cas des halos, le ciel n'est jamais limpide et même parfois couvert d'un voile de cirrostratus ou même de quelques nuages bas. Les détails seront bien sûr plus apparents si le ciel est sombre et le voile nuageux peu épais. Dans le cas des piliers, l'effet est bien sûr plus spectaculaire la nuit.

Vu la taille du grand halo et des arcs, une optique grand-angle couvrant un champ de 60 à plus de 100° est nécessaire. Pour le halo solaire, la sensibilité du photocapteur peut être limitée à 100 ISO en raison de l'éclat du Soleil. Dans le cas du halo lunaire et de la couronne, la sensibilité peut varier de 100 à 400 ISO. Sur les appareils haut de gamme, on peut augmenter la sensibilité jusqu'au-delà de 1000 ISO sans perte de résolution.

A gauche, une couronne lunaire photographiée par Robert Morisan le 9 septembre 2014 à 00h09 TU en France au moyen d'un APN Canon EOS 400D muni d'un objectif de 55 mm f/5.6. Exposition de 0.5 s à 800 ISO. A droite, un phénomène très rare combinant un halo lunaire de 22°, une couronne, des arcs paraséléniques et des parasélènes. Photos prises par Brent Mckean au Manitoba (Ca.) le 15 février 2020 en début de matinée. Il s'agit de l'empilement de trois images.

Rappelons que si la Lune ou le Soleil nous semble très grand à l'oeil nu, ils peuvent être cachés par un confetti tenu à bout de bras... C'est donc de très petits sujets à photographier. Avec un objectif de 50 mm par exemple, l'image de la pleine Lune ne fait que 0.5 mm sur le photocapteur, pas beaucoup plus qu'une tache.

Pour éviter que la Lune ou le Soleil ne surexpose les plus fins arcs tangents au halo, il est conseillé de l'occulter. La manière la plus esthétique est d'utiliser un arbre ou un objet (maison, église, monument, lampadaire, instrument) situé à l'avant-plan dont la largeur n'excède pas celle de votre main portée à bout de bras (env. 10°). Mais en fonction de l'effet esthétique désiré, vous pouvez essayer différentes compositions d'images, d'autant que ce phénomène ne se produit pas très souvent.

Trois compositions originales autour du halo solaire. A gauche, une photo réalisée par Pierre-Paul Feyte en France. Au centre, un halo complet photographié par Brent Mckean au Manitoba (Ca.) en 2017. A droite, zoom sur les arcs internes (arc de Parry, arc tangeant supérieur et arc parhélique) d'un halo complet photographié par Lisa Beal de la Rice University au cours d'une expédition en Antarctique.

Pour la photographie des piliers, étant donné qu'ils sont peu élevés (sauf aux pieds des lumières) et localisés, une optique standard offrant un champ de 50° suffit car une vue générale prise au grand-angle risque de noyer le phénomène dans le paysage mais peut en revanche donner une bonne idée générale de l'atmosphère d'ambiance. L'usage d'un zoom transtandard (par ex. 35-70 mm) est une bonne alternative pour cadrer au mieux le sujet.

Vous pouvez avantageusement utiliser un APN ou même un smartphone de dernière génération. Utilisé en mode automatique, vous avez toutes les chances de réussir de très belles images correctement exposées. Sinon il suffit de mesurer la luminosité d'une zone légèrement plus sombre que l'ensemble pour éclairer le sujet, sans pour autant le surexposer en donnant à la Lune ou au Soleil une taille disproportionnée. Vérifiez que la mise au point soit faite sur l'infini.

Des piliers photographiés la nuit respectivement à Vyazniki en Russie en 2018 (au-dessus à gauche), à Nesbyen en Norvège (à droite), en 2016 (ci-dessous à gauche) et à droite, un exemple rare de piliers "flottants" se réflétant en altitude au-dessus d'un champ d'éoliennes situé sur l'île Parisienne (à l'est du Lac Supérieur) photographiés depuis Whitefish Bay à Paradise dans le Michigan par Vincent Brady le 16 octobre 2018.

Enfin, sélectionnez uniquement la température de couleur du jour (5500-6500°), même la nuit, car la lumière artificielle (chaude ou froide) apporte une dominante par nature "artificielle" et parfois inesthétique (jaune, verte, majenta ou bleue) qui estompera certains dégradés de couleurs.

Bonne chance !

Pour plus d'informations

Atmospheric Optics dont le logiciel HaloSim3

Atmospheric Phenomena

Polar Image, Pekka Parviainen

Light Pillars (Mats Mattsson, Islandnet)

501 North Photography (Brent Mckean, Canada).

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