La lumière nous en fait voir de toutes les couleurs Phénomènes météorologiques

Les romantiques couchers de soleil et les mystérieux spectres de Brocken sublimisent les courses en montagne. Quelques principes de base d’optique atmosphérique permettent d’expliquer de nombreux phénomènes.

La lumière du soleil est constituée d’ondes électromagnétiques de différentes longueurs. Le rayonnement infrarouge, à ondes longues, est invisible. Sa chaleur se dégage de la roche le soir après le coucher du soleil. © Ethan Welty

La lumière du soleil est constituée d’ondes électromagnétiques de différentes longueurs. Certaines parties de ce spectre ne sont pas visibles pour l’être humain, comme le rayonnement UV, à courte longueur d’onde, qui cause les coups de soleil, et le rayonnement infrarouge, à plus longue longueur d’onde, dont la chaleur émane du rocher après que le soleil s’est couché. Entre les deux, il y a le spectre visible, dont les longueurs d’onde vont de 380 à 750 nanomètres (1 nanomètre = 1 milliardième de mètre), et qui comporte les couleurs suivantes: violet, bleu, cyan, vert, jaune, orange et rouge.

Lorsqu’un faisceau lumineux passe d’un milieu à un autre, par exemple de l’air à l’eau, il est légèrement dévié, ou cassé. Les longueurs d’onde courtes sont plus fortement déviées que celles qui sont plus longues, ce qui entraîne une dispersion de la lumière en ses différentes couleurs constituantes. C’est pour cette raison que les couleurs de l’arc-en-ciel apparaissent lors de nombreux phénomènes atmosphériques.

Dans le cas de l’arc-en-ciel classique, le faisceau lumineux est réfracté lorsqu’il entre dans les gouttes d’eau, puis réfléchi à l’arrière de la goutte, et réfracté encore une fois quand il sort. Quand nous nous trouvons entre le soleil et les précipitations, le rayon lumineux dispersé en son spectre de couleurs est réfléchi vers nous à un angle de 42°, et nous voyons un arc-en-ciel. C’est lorsque le soleil est bas dans le ciel et que des nuages sombres se trouvent derrière l’arc-en-ciel que le phénomène est le plus marqué.

Quand le ciel s’enflamme

La lumière peut non seulement être brisée, mais aussi diffusée. Lorsqu’un faisceau lumineux rencontre une particule qui est plus grande que sa longueur d’onde, toutes les longueurs d’onde subissent la même diffusion. Ce qu’on appelle la diffusion de Mie permet ainsi d’expliquer pourquoi les nuages sont blancs: les gouttes d’eau relativement grandes diffusent toutes les couleurs de la même manière, et nous voyons donc toujours de la lumière blanche.

Plus les gouttes de pluie sont grandes, plus la lumière blanche est diffusée vers le haut. Les nuages qui vont bientôt nous déverser leurs gouttes de pluie sur la tête sont gris. Mais seulement vus depuis dessous: du haut, les nuages sont toujours blancs!

Contrairement à la diffusion de Mie, la diffusion de Rayleigh se produit avec des particules dont le diamètre est bien plus petit que la longueur d’onde de la lumière, par exemple les molécules d’air. Dans ce cas, la diffusion est plus forte pour les longueurs d’onde plus courtes (bleu) que pour celles plus longues (rouge). C’est pour cela que le coucher de soleil est rouge: plus le chemin de la lumière est long dans l’atmosphère, plus les composantes bleues disparaissent. Lorsque le soleil est bas dans le ciel, seules les composantes rouges de la lumière parviennent à l’observateur.

Mystérieux spectres

Observer un spectre de Brocken en montagne est une expérience réjouissante. Il s’agit de la projection de sa propre ombre sur du brouillard. La tête est généralement entourée d’un cercle coloré, qu’on appelle gloire.

Les gloires sont un phénomène complexe, qui n’est pas totalement expliqué: la lumière doit être renvoyée depuis les gouttelettes, qui sont 10 à 1000 fois plus petites que les gouttes de pluie, à 180° à l’observateur, ce que la réfraction et la réflexion seules ne permettent pas. Il faut au lieu de cela de la diffraction, des ondes de surface, et peut-être une pincée de théorie quantique... Le spectre de Brocken conserve ainsi jalousement ses secrets, et sa beauté mystérieuse!

La météo dans tous ses états

Dans notre nouvelle série, nous nous penchons sur différents phénomènes météo en collaboration avec MétéoSuisse. Dans notre prochaine édition, vous en apprendrez plus sur les orages estivaux. En parallèle, le site meteosuisse.ch propose des informations passionnantes sur le thème de la météo.

Nos ancêtres ne voyaient-ils pas de bleu?

Au 19^e siècle, l’érudit anglais William Gladstone remarqua que la couleur bleue n’était pas mentionnée une seule fois dans l’Odyssée d’Homère. Le philologue Lazarus Geiger examina ensuite d’anciens textes grecs, islandais, chinois et hébreux, et fit le même constat: pas de bleu! Nos ancêtres ne voyaient-ils pas de bleu? Ou une couleur ne devient-elle réalité que lorsque nous avons un mot pour elle? Dans la nature, le bleu est rare. Des chercheurs supposent donc que pendant longtemps, il n’y avait pas de raison d’avoir un mot pour le bleu. De nouvelles études corroborent cette hypothèse. L’une d’elles, datant de 2019, a mis en lumière que les Mongols, qui possèdent deux termes différents pour le bleu clair et le bleu foncé, pouvaient distinguer plus de tons bleus que les participants chinois à l’étude, qui n’ont qu’un terme pour les mêmes teintes de bleu.

Dans la nature, le bleu est rare. Des chercheurs supposent donc que pendant longtemps, il n’y avait pas de raison d’avoir un mot pour le bleu. De nouvelles études corroborent cette hypothèse. L’une d’elles, datant de 2019, a mis en lumière que les Mongols, qui possèdent deux termes différents pour le bleu clair et le bleu foncé, pouvaient distinguer plus de tons bleus que les participants chinois à l’étude, qui n’ont qu’un terme pour les mêmes teintes de bleu.