Le rayon vert

Sciences de l'univers

Le rayon vert

Le rayon vert est un phénomène optique rare qui peut être parfois observé juste après le coucher du Soleil ou juste avant son lever et qui prend la forme d'un point vert visible pendant un court moment juste au-dessus du Soleil. Son observation est généralement brève (quelques secondes).

Rayon vert observé le 15/01/2006 à l'observatoir de La Silla

Rayon vert observé à San Francisco le 17/09/2006

Pour observer le rayon vert, le ciel doit être clair et dégagé du maximum de poussières ou de particules. La présence d’un anticyclone facilite également l’observation du phénomène grâce à une haute pression (donc une densité d’air plus importante). Enfin la ligne d’horizon doit être lointaine pour que les rayons solaires traversent une distance d'atmosphère la plus grande possible avant d’atteindre l’observateur. Pour toutes ces raisons, le rayon vert s'observe au mieux à basse altitude, là où l'horizon est dégagé, par exemple devant un océan.

Pour prolonger le temps d'observation, on peut commencer celle-ci en étant en position assise, puis lorsque le rayon apparait, on se lève lentement. Pour éviter un éblouissement dû aux dernières lueurs jaunes ou rouges, ce qui peut donner l'impression de voir un faux rayon vert par contraste, il faut tourner le dos au Soleil et se retourner au dernier moment.

Explication du phénomène

L’atmosphère : un milieu hétérogène

L'atmosphère est formée de couches d'air de températures et de pressions différentes. En effet, la température diffère d’un endroit à l’autre suivant d'abord l'altitude, puis la latitude, les vents, les reliefs, le type de sol... De par le nombre de paramètres en jeu, les variations locales de température sont quasiment imprévisibles. Si la température change, le volume occupé par un gaz change également, et par conséquent sa pression. De plus, la pression de l’air diminue quand l’altitude augmente. Elle est donc plus faible à la montagne qu’au niveau de la mer. L’atmosphère doit ainsi être considérée certes comme un milieu hétérogène, tout particulièrement dans les couches basses, mais avec un fort gradient moyen de densité, ce qui induit donc aussi un net gradient vertical d'indice de réfraction.

La trajectoire de la lumière

La loi de Descartes sur la réfraction s'applique dans un milieu hétérogène comme dans un milieu homogène. Dans un milieu hétérogène au lieu d'avoir une unique interface, on a une infinité d'interfaces où le phénomène de réfraction se produit entre des milieux homogènes de dimension infinitésimale. La trajectoire des rayons lumineux dans un milieu un peu hétérogène mais surtout stratifié, tel l’atmosphère, n'est par conséquent pas rectiligne mais curviligne et de courbure tournée vers le sol. Ceci peut être comparé à la trajectoire d'un rayon d’un laser dans une cuve d’eau salée où l’on aurait rajouté de l’eau distillée. La réfraction des rayons lumineux implique donc qu'un observateur terrestre ne voit pas le Soleil à sa position réelle.

La diffusion

Les couleurs d’un coucher de Soleil vont du rouge au jaune, et même jusqu’au vert (lors du rayon vert). Un autre phénomène, dû aux propriétés ondulatoires de la lumière, explique l’absence du bleu et du violet. En rencontrant une molécule de dioxygène (ou de diazote) un rayon lumineux ressortira plus ou moins diffusé suivant sa longueur d’onde. Plus on ira vers le bleu, plus la diffusion aura tendance à envoyer la lumière dans toutes les directions, et plus le faisceau solaire direct sera appauvri dans cette couleur.

Cette diffusion, dite de Rayleigh, permet au ciel d’être bleu, et empêche l’apparition des couleurs bleues, et a fortiori violettes, lors du coucher de soleil. La couleur verte étant moins diffusée que la bleue, reste visible. Les couleurs apparentes du coucher de soleil sont donc celles du spectre de lumière visible dans la gamme de couleur allant du rouge au vert.

La réfraction et le chromatisme

Le chromatisme d'un milieu correspond à la variation de l'indice optique du milieu en fonction de la longueur d'onde de la lumière. La loi de réfraction de Descartes faisant intervenir l'indice optique des milieux, la réfraction s'appliquera donc de façon différente en fonction de la longueur d'onde. On observe ainsi une variation de la déviation des rayons lumineux due au chromatisme (ce phénomène est à l'origine de la dispersion de la lumière blanche par un prisme produisant les rayonnements de l'arc-en-ciel).

La réfraction dans l'atmosphère est liée à son chromatisme. En fonction de sa longueur d’onde, la déviation d’un rayon lumineux est différente, et plus grande pour un rayon bleu que pour un rayon rouge.

Le phénomène est ainsi facile à expliquer : en oubliant les couleurs intermédiaires, les rayons lumineux verts sont donc plus courbés vers le sol par le gradient d'indice de réfraction que les rayons rouges. Lorsque l'image du Soleil disparaît derrière un obstacle bien net et très lointain, "l'image verte" se cache après "l'image rouge". Lorsqu'on observe le coucher de soleil, ces deux images sont à nos yeux globalement superposées tout le temps, sauf dans les tout derniers instants. Dans ces ultimes secondes, on voit donc le dernier croissant de l'image solaire perdre sa couleur rouge pour redevenir blanche (perte progressive de la composante rouge), puis enfin passer à un vert éclatant pendant un bref instant. Si la diffusion Rayleigh était moins efficace, ces derniers rayons seraient plus proches du bleu, ce qui ne peut guère se produire au niveau de la mer à cause de l'efficacité de la diffusion pour une traversée aussi longue de l'atmosphère. Si l'obstacle est trop proche, cet instant devient souvent trop bref pour permettre l'observation (certains observateurs parlent alors de "flash" vert). Et si l'obstacle ne présente pas un bord bien net, le phénomène n'est plus observable.

Autres paramètres

 L’absorption a une influence sur le spectre de lumière visible lors du coucher de soleil. Des mirages peuvent aussi modifier la forme du soleil perçue par un observateur, et accentuer le rayon vert. De plus, le rayon vert peut aussi parfois se décliner sous forme de rayon bleu et parfois même de rayon violet lorsque certaines conditions particulières sont réunies en montagne. Voir les liens externes ci-dessous.

Rayon vert artificiel

Le rayon vert sur le Christ à 11 h au printemps

Certains parlent de « rayon vert » pour désigner un phénomène optique qui se produit aux équinoxes dans la Cathédrale Notre-Dame de Strasbourg qui projette sur la chaire une tache verte. Cet éclairage est produit par les rayons du soleil passant par une pièce d'un vitrail du triforium méridional représentant le patriarche Juda. Une réfection récente du vitrail est à l'origine de ce phénomène.

 (source : wikipédia)