Dans quelles conditions le ciel peut-il se transformer en miroir ?

Bonjour,

Tout d’abord, revenons sur un élément essentiel, le fonctionnement d’un miroir. La lumière est une forme d'énergie, et quand elle frappe une surface, comme un miroir, elle est réfléchie ou rebondie à la surface. Un miroir est une surface réfléchissante, elle peut être solide ou liquide.

On parle ici de réflexion de la lumière. Une réflexion donne habituellement peu ou pas de distorsion sur l'image d'un objet, en fonction de la «planéité» de la surface.

Dans le ciel, l'effet miroir pourra se produire en présence de vapeur d'eau, de gouttelettes ou de cristaux de glace présents dans l'atmosphère. Comme le phénomène de Parhélie, qui consiste en l'apparition de deux répliques de l'image du soleil, placées horizontalement de part et d'autre de celui-ci.

Le phénomène se produit lorsque le soleil est assez bas sur l'horizon et que l'atmosphère est chargée de cristaux de glace présents dans les nuages de haute altitude (troposphère) appelés cirrus ou cirrostratus. Il est plus fréquent dans les régions polaires, car de nombreux nuages bas y sont, eux aussi, chargés de particules de glace. Les cristaux se constituent naturellement dans les nuages suivant une symétrie hexagonale, en prenant la forme d'un prisme allongé, ou bien d'un hexagone ou d'une étoile à six branches aplatis. Durant leur chute, ces particules, qui présentent des angles tous égaux à 60° ou 120°, s'orientent spontanément dans le même sens et forment un réseau de prismes qui reflète et réfracte la lumière solaire. Lorsque la lumière solaire traverse des cristaux dont les angles au sommet sont de 60° (hexagones), la glace ayant un indice de réfraction de 1,31, le minimum de déviation est de 22°, conditionnant la dimension apparente du halo principal, ou petit halo. Le grand halo, positionné à 46°, est généré par la réfraction dans des cristaux rectangulaires.

Source : Parhélie - Définition et Explications

Par ailleurs d'autres phénomènes physiques et optiques s'apparentent à l'effet miroir. Le plus connu est le phénomène du mirage. Il est possible de voir des mirages au niveau du sol mais également dans le ciel.

Lorsque l'on voit un objet, on voit en réalité la lumière émise par celui-ci qui arrive dans notre œil. Le mirage comme le miroir permettent de voir quelque chose là où il n'est pas réellement situé. Ainsi, dans le cas d'un mirage, la lumière va se courber en traversant des milieux transparents d'indices optiques différents (au lieu de se déplacer en ligne droite). Les milieux traversés par la lumière seront ici l'air. Pour se produire, cette illusion nécessite l'apparition d'un gradient de températures dans l'atmosphère, autrement dit, plusieurs couches d'air présentant différentes températures et donc différentes densités. Généralement, plus vous montez dans l'atmosphère, plus la température de l'air diminue.

"En pleine mer, quand le temps est calme, l’air proche de la mer est moins chaud qu’en altitude. On peut donc considérer l’air comme un empilement de couches de température et d’indices de réfraction différents, de plus en plus élevé à l’approche de la surface de l’eau.

Il en résulte donc que les rayons lumineux sont peu à peu détournés vers le haut à chaque fois qu’ils passent dans une couche d’indice de réfraction différent. On dit ici que l’atmosphère possède un gradient d’indice: l’indice varie progressivement."

Source : Phénomène marin : le mirage - Couleur-Science

Ainsi, le mirage prend naissance lorsque les rayons lumineux traversent des couches d'air à différentes températures. Dans de telles circonstances, une image d'objets lointains, ou même dans le ciel, est créée. C'est le cas lorsqu'une source d'eau apparaît dans le désert au loin, ce qui en réalité n'est rien de plus que l'image réfléchie du ciel sur la surface brûlante du sable : dans ce cas, on parle d'un mirage inférieur.

Voici une explication du mirage supérieur qui demeure plus complexe :

Un mirage supérieur se produit lorsque l’air situé en dessous de la ligne de visée de l’observateur est plus froid que l’air situé au-dessus. Cet arrangement non habituel est appelé inversion de température par les météorologistes, puisque la présence de l’air chaud au-dessus de l’air froid est une répartition opposée au gradient de température de l’atmosphère standard. Passant à travers la couche d’inversion de la température, les rayons lumineux sont réfractés, ou courbés, vers l’air le plus froid, le plus dense, c’est-à-dire vers le bas. Cette courbure fait apparaître l’image de l’objet au-dessus de sa position réelle, parce que notre cerveau suppose que les rayons lumineux arrivent en ligne droite de l’objet à nos yeux. Le gradient de température affecte le parcours des rayons lumineux de l’objet à nos yeux. Les mirages supérieurs sont en général moins ordinaires que les mirages inférieurs, et lorsqu’ils apparaissent, ils sont plus stables, puisque l’air froid n’a pas tendance à se déplacer vers le haut et l’air chaud situé plus haut n’a pas tendance à se déplacer vers le bas.

La naissance d’un mirage supérieur survient lorsque l’air proche du sol est plus froid qu’en altitude. C’est le cas dans des lieux où la surface du sol est très froide, banquise, mer froide, sol gelé..., où des couches d’air plus froid, dites couches d’inversion, apparaissent. L’image de l’objet peut être renversée ou non, parfois déformée par la convection de l’air, mais elle est au-dessus de l’objet réel (figure 6). Dans un mirage supérieur, les rayons lumineux issus de l’objet suivent une trajectoire ascendante et concave. Une singularité de ce type de mirages apparaît lorsque les rayons suivent la courbure de la Terre : un objet situé sous l’horizon peut alors être perçu au-dessus (figure 6).  

Source : MIRAGES ET REFRACTION - 1 - MIRAGE INFERIEUR - MIRAGE SUPERIEUR

Pour en savoir plus : 

Voyage au coeur de la lumière [Livre] / Trinh Xuan Thuan

Les couleurs du ciel [Livre] / Jean-Marc Lévy-Leblond

Bonne journée.