Ces phénomènes qui aident à lire le ciel. Pourpre céleste, arc-en-ciel et spectre de Brocken

CES phéNOMèNES quI AIdENT À lIrE lE CIEl

I

l a été dit que l' azur du ciel était dû au bleu de l' air. Or, si tel est le cas, comment se fait-il qu' au lever et au coucher du soleil, la lumière, parcourant une longue distance dans l' atmosphère, prenne une teinte jaune, orange ou rougeLes rayons solaires blancs ne sauraient acquérir leur rougeur en traversant un milieu bleu. Cette hypothèse ne tient donc pas la route.. " " .Voilà ce qu' écrivit, au XIX e siècle, John Tyndall, éminent physicien britannique, plus connu des alpinistes pour avoir été le premier conquérant du Weisshorn. L' explication de la couleur du ciel qu' il a donnée dans ses Six Lectures on Light en 1872-1873 est toujours valable. Toutefois, la nature nous réserve d' autres phénomènes optiques dont les fondements physiques sont susceptibles d' intéresser les adeptes de la montagne.

Photo: Marco Volken T E X T E / P H o T o s Marco Volken, Zurich ( trad. )

CES phéNOMèNES quI AIdENT À lIrE lE CIEl

Ondes multicolores

La lumière se propage par des ondes électromagnéti- ques, c'est-à-dire des vibrations de champs électriques et ma gnétiques, comme pour les ondes radio ou les micro-ondes. Chaque couleur correspond à une lon- gueur d' onde, plus courte pour le violet et le bleu ( 400 à 500 nanomètres ), plus longue pour l' orange et le rouge ( 600 à 700 nanomètres ), le vert et le jaune se situant entre les deux. La lumière blanche est un mélange équilibré de nombreuses couleurs individuelles. La lumière qui provient du soleil contient la quasi-totalité du spectre visible.

Nuit hivernale au Titlis. Exposition prolongée, appareil photo déclenché peu après le coucher du soleil. les derniers rayons se reflètent sur le sommet, tandis que la pollution lumineuse diffuse émanant de la lombardie teinte l' horizon de vert-jaune. les étoiles poursuivent leur mouvement, leurs couleurs diverses montrant qu' à la différence du soleil, elles ne sont pas toutes blanches.

le val di lodrino à la fin du crépuscule: c' est l' heure bleue.

Cette photo prise de nuit au Titlis prouve que la lumière du soleil, blanche, n' enlève rien au bleu du ciel, qui garde cette couleur à la pleine lune. En effet, celle-ci ne fait que refléter les rayons solaires.

la couleur du ciel

Le soleil est blanc. Sur une planète dépourvue d' atmo, il aurait l' aspect d' un disque extrêmement clair et serait entouré d' un ciel tellement noir que les étoiles y seraient visibles même à midi. Mais telle que nous la voyons, la voûte céleste se teinte tantôt de bleu, tantôt de gris ou d' orange au fil de la journée, sans jamais être complètement obscure.

Si le ciel « brille », c' est parce que la lumière du soleil est déviée et diffusée. L' atmosphère se compose d' une multitude de particules, notamment de gaz, mais aussi d' aéro, de gouttelettes de brume ou de brouillard, etc. Lorsque la lumière du soleil se propage à travers eux, les ondes lumineuses heurtent tous ces minuscules obstacles. Une partie de la lumière est ainsi déviée dans tous les sens. C' est ce que les physiciens appellent la diffusion. Ce que nous voyons en regardant le ciel à côté du soleil n' est rien d' autre que la lumière déviée et diffusée. En présence de particules plus grosses, telles que gouttelettes de brume, ou de nuages, l' intensité de la diffusion est la même pour toutes les couleurs du spectre visible ( diffusion de Mie ). Si, au contraire, les particules sont beaucoup plus petites que la longueur d' onde de la lumière, comme dans le cas des molécules gazeuses, la dispersion des couleurs est inégale. Celle que subit le bleu est environ dix fois supérieure à celle du rouge ( diffusion de Rayleigh ).

Diffusion de Rayleigh sur molécules de gaz les molécules gazeuses diffusent moins le rouge que le bleu. un rayon lumineux blanc, qui se compose de l' ensemble des couleurs, perd par conséquent plus d' éléments bleus s' il est dévié et garde une plus forte proportion de rouge dans le cas contraire.

Crépuscule au Monte Tamaro ( à gauche ) et au Monte Gambarogno: la rougeur du ciel est encore intensifiée par l' humi et la pollution atmosphérique, et reflétée par les nuages sur le relief, d' où une neige également teintée de rouge.

Photos/Gr afique: Mar co Volken Brouillard et ciel couvert au rimpfischhorn et à l' Allalin: les contrastes sont fortement atténués.

Photos/Gr afique: Mar co Volken

nuages, brouillard ou brume – vire alors à l' orange, voire au rouge. Il en découle que la rougeur du couchant est plus intense par temps nuageux et dans les régions polluées que dans un ciel sans nuages et en haute montagne. Lorsqu' il est pur, l' air reste bleu même au moment où le soleil disparaît à l' horizon.

Le crépuscule succède immédiatement au coucher du soleil. Si l' air est limpide, le ciel se teinte de pourpre. La boucle du spectre visible est ainsi bouclée, puisque cette couleur se situe entre le rouge et le bleu. Parfois, le crépuscule s' accompagne de lueurs particulières, appelées « sommets flamboyants ». Les montagnes prennent une dernière coloration rougeâtre. Il s' agit en fait d' une réverbération du soleil déjà couché, donc d' un éclairage indirect

Ainsi s' expliquent de nombreuses couleurs de l' atmo. Lorsque, par beau temps, il n' y a que peu de brume ou de brouillard, la diffusion de Rayleigh domine au détriment de celle de Mie. Le ciel se teinte alors essentiellement de bleu, d' autant plus intensément que l' air est pur, donc en altitude, par températures basses ou après un orage qui l' a nettoyé.

En avançant dans l' atmosphère, le rayon lumineux perd, par diffusion, une grande partie de ses composantes bleues et contient une plus forte proportion de jaune et de rouge. Il sera d' autant plus rougeâtre que ce trajet est long. Celui-ci atteint son maximum au coucher du soleil, en raison de l' angle d' incidence rasant des rayons 1. C' est pourquoi tout ce qui est éclairé directement – paysage,

1 Ces réflexions et les suivantes s' appliquent, en sens inverse, au lever du soleil.

Diffusion de Mie sur gouttelettes de brume ou brouillard les particules relativement grosses, tels que les aérosols, les gouttes de brume ou de brouillard, diffusent la lumière indépendamment de la cou-leur. la première ne faiblit donc pas, mais la seconde est modifiée. la lumière blanche garde ainsi sa couleur, quitte à virer au gris neutre.

la lumière perce les nuages et éclaire la vallée d' Engelberg le fait que le rayon lumineux soit visible lui-même en plus

pourpre dû à la lumière crépusculaire diffusée. Ce phénomène, qui ne s' observe que dans des conditions favorables, est relativement discret.

A la fin du crépuscule, toutes les teintes pourpres et rouges disparaissent, laissant la place à la couleur dont la diffusion est suffisante pour suivre quelque peu la courbure de la terre. C' est le moment de l'« heure bleue ».

les nuages n' ont pas de couleur intrinsèque

Nous avons vu que les molécules gazeuses modifiaient la diffusion de la lumière selon les couleurs en présence, au contraire des particules plus grosses telles que les gouttelettes d' eau. Cela explique que les nuages n' aient pas d' emprise sur les couleurs. En effet, c' est sans aucune préférence pour l' une ou l' autre d' entre elles que la lumière qui y pénètre y est diffusée. Par conséquent, un nuage prendra la teinte des rayons qui l' illuminent. Sous un soleil blanc, il aura une apparence blanche, ou grise à presque noire s' il est très dense et absorbe beaucoup de lumière. Il sera rose ou pourpre si telle est la couleur des rayons qui l' éclairent.

De nature semblable aux nuages, la brume et le brouillard obéissent également à ces règles. Ils ne modifient donc pas fondamentalement la coloration de la lumière. En revanche, ils laissent parfois passer quelques faisceaux de rayons. Ceux que le soleil darde à travers les cimes des arbres lorsque le brouillard se dissipe ont un

d' éclairer le flanc de la montagne est dû à la diffusion de Mie. Ce phénomène est appelé effet de Tyndall.

effet particulièrement beau en forêt, tout comme le cône lumineux qu' une lampe de poche dessine dans le brouillard. C' est grâce à la diffusion de Mie que ces phénomènes sont visibles.

pluie et arc-en-ciel

La diffusion n' est pas le seul processus à pouvoir fractionner un rayon blanc en ses différentes couleurs. Lorsqu' une onde, telle que la lumière, passe d' un milieu transparent dans un autre ( par exemple de l' air à l' eau ), elle change de direction. On parle alors de réfraction. C' est ainsi qu' un crayon placé obliquement dans un verre d' eau donne l' impression d' être brisé. L' angle de réfraction de la lumière dépend de la longueur d' onde, donc de la couleur. Le spectre formé par la lumière qui traverse un prisme à trois faces est un exemple bien connu de ce phénomène. Un rayon lumineux qui pénètre dans une goutte d' eau subit une réfraction différente selon les couleurs, puis est réfléchi à la paroi opposée et est réfracté une seconde fois à la sortie, les rayons des couleurs étant de nouveau parallèles, mais séparés. Vu que les gouttes de pluie sont à peu près sphériques, une bonne partie de la lumière réfléchie est renvoyée sous un angle de 42°, indépendamment du point de pénétration. Si le soleil éclaire un rideau de pluie, les réflexions sur les gouttes s' additionnent pour former un arc-en-ciel.

La position de l' arc est déterminée par l' angle entre l' entrée de la lumière dans la goutte et la sortie: celui qui se forme entre l' incidence du rayon solaire et la direction du regard est également de 42°. Il est par conséquent impossible de voir un arc-en-ciel quand le soleil est haut. En d' autres termes, ce phénomène n' est visible qu' en fin d' après ou le soir, du côté opposé au soleil. Si ce dernier illumine alors tout à coup le ciel de ses rayons et

non pas face au soleil, mais qui l' entoure. Il prend souvent la forme d' un anneau, à une distance angulaire de 22° de cet astre. Ses couleurs ne sont pas particulièrement intenses et s' estompent vers l' extérieur. Seuls le rouge-brun ( sur la frange intérieure très nette ), l' orange et le jaune sont visibles, tandis que le vert, le bleu et le violet se fondent en un blanc diffus. D' autres types fréquents de halos sont les cercles parhéliques ou « faux soleils » ( taches claires, généralement irisées, décalées de 22° à gauche et à droite du soleil ) et les colonnes lumineuses ( traînées verticales de lumière au-dessus ou au-dessous du soleil ). Il ne faut pas confondre les halos et les cernes. Si ces derniers sont également des phénomènes circulaires qui résultent de la séparation des différentes couleurs et qui entourent le soleil ou la lune, ils sont très proches de la source lumineuse et se composent de bandes colorées plus larges et plus nettes. Il n' est pas rare qu' un deuxième cerne, voire un troisième, se forme à l' extérieur du premier, créant une alternance régulière des couleurs. Tout comme les nuages irisés ( qui présentent des surfaces nacrées ), les cernes se forment non pas par réfraction, mais par diffraction, qui consiste en une déviation compliquée des ondes lumineuses autour des gouttes d' eau ou des cristaux de glace. Ils se manifestent surtout dans les nuages stratifiés relativement peu épais tels que cirro cumulus, altocumulus, altostratus ou nuages pisciformes caractéristiques du foehn. Citons enfin, parmi les phénomènes visibles en montagne, le spectre de Brocken, ombre proje-

qu' il pleut encore à proximité, il vaut la peine de tourner le dos à l' Astre du jour. Peut-être aurez-vous la chance de pouvoir admirer un arc-en-ciel.

halos et cernes

Les cristaux de glace présents dans les nuages élevés peuvent, par réfraction, produire des effets colorés similaires. Leur structure est toutefois plus compliquée que celle, sphérique, des gouttes d' eau. Ils sont généralement constitués de plaquettes hexagonales qui réfractent la lumière en fonction de leur position et de l' angle d' incidence des rayons lumineux. Ils donnent lieu à un halo, qui se situe

Fin d' orage près du rifugio lon-goni dans le Valmalenco. En y regardant de plus près, on aperçoit un second arc-en-ciel, aux couleurs inversées, à l' extérieur du Photo/Gr aphiques: Mar co Volken premier. Il apparaît dans un angle d' environ 52°, nettement plus faible en raison d' une lumière réfléchie deux fois.

air eau Réfraction un rayon lumineux qui pénètre dans une goutte d' eau subit une réfraction plus ou moins forte selon les couleurs, puis est réfléchi à la paroi opposée et réfracté une seconde fois à la sortie. Il a été dévié de 42°. dans un rideau de pluie, les réflexions sur les gouttes s' additionnent pour former un arc-en-ciel.

42° 42° Arc-en-ciel Goutte d' eau Photos/Gr afiques: Mar co Volken Jour blanc au Vadrec da la Bondasca, dans le val Bregaglia. dans un paysage d' une blancheur uniforme, la séparation optique entre ciel et terre peut disparaître, phénomène redouté à juste titre.

Réflexion normale Réflexion diffuse par ciel clair, le soleil illumine directement la terre et forme des ombres nettes, donnant du relief au terrain. En cas de ciel couvert, la lumière est tellement diffusée par l' épaisse couche de nuages qu' elle nous parvient de toutes les directions et ne projette plus d' ombres.

tée par notre propre corps sur un « mur » de brouillard. Avec un peu de chance, notre tête est alors nimbée d' une auréole qui présente toutes les couleurs en cercles concentriques. Il s' agit, ici aussi, d' un effet de diffraction.

Attention à l' excès de blanc!

Un jour blanc se caractérise par une clarté sans contraste qui se produit sur une surface neigeuse vaste et régulière par ciel entièrement couvert, lors de chutes de neige ou en présence de brouillard. Dans ces conditions, la lumière est réfléchie d' innombrables fois entre le ciel et la neige, pour subir une diffusion supplémentaire à travers le brouillard. Ainsi, elle nous parvient de toutes les directions et ne jette plus d' ombres. Le ciel et la surface du sol, blancs tous les deux, se fondent en un grand espace sans structure ni ligne d' horizon. Par conséquent, les points de référence visuelle disparaissent, ce qui nous empêche d' estimer notre distance par rapport au sol et aux autres éléments de notre environnement. Ce phénomène peut être particulièrement pernicieux lors d' excursions à skis. En effet, la perte des repères déterminant la position et les mouvements du corps peut poser de sérieux problèmes. Baigner durant plusieurs heures dans une telle lumière diffuse peut faire perdre le sens de l' équilibre ou de l' orientation, provoquer des nausées ou même des hallucinations. Face à ces dangers, qui ont pour cause un simple excès de blanc, on rêve de retrouver un peu du bleu de Tyndall... a

parhélies ( aux extrémités gauche et droite de la photo ) durant la montée à la ludwigshöhe Spectre de Brocken au Vanil Noir. En l' occurrence, l' ombre projetée sur le brouillard est nimbée d' une auréole colorée qui ressemble à une couronne et qui est à son tour entourée de plusieurs autres.

( Mont-rose ). On devine l' arc qui les relie en passant à l' extérieur du soleil. Halo 1 2 2 3 3 22° 1 Petit halo 2 Parhélies 3 Colonne lumineuse Cerne On entend par halos les ensembles de couleurs produits par la réfraction sur des cristaux de glace – en fonction de la forme et de la position de ces derniers – dans les nuages élevés ( cirrus, cirrostratus ). Ils comprennent les petits halos, les parhélies et les colonnes lumineuses. Ils se situent à une distance précise du soleil. le cerne, au contraire, phénomène dû à la réfraction, forme des cercles concentriques très proches de l' astre, souvent en présence d' altocumulus, d' altostratus ou de cirrostratus.

Escalade libre/ compétition

Arrampicata libera e di competizione

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