Introduction : qu'est-ce que le rayon vert ?


 

Quel est donc ce "flash vert" qui apparaît lors du crépuscule ?
©V & J. Winter

  • En 1882, Jules Verne contait les mésaventures d'Helena Campbell, une jeune femme refusant catégoriquement d'épouser un ennuyeux scientifique avant d'avoir vu le rayon vert, origine de légendes écossaises. Initialement relaté dans ce roman Le Rayon Vert, ce phénomène atmosphérique correspond à l’observation d’un léger point vert au moment du crépuscule, lorsque le Soleil diffuse son dernier rayon, ou bien à l'aube aux premières diffusions de sa lumière. Un grand nombre de récits de voyageurs en mer évoquent ce phénomène rare, sans pour autant pouvoir l’expliquer. Le rayon vert est donc devenu un mythe au fil des siècles et encore considéré comme une illusion par un grand nombre de personnes.

• Alors comment expliquer le mystère qui entoure du rayon vert ? Pourquoi est-il si rare et si méconnu ?

 

Le Soleil se couche petit à petit... jusqu'à ce qu'un mystérieux point de couleur verte apparaisse.
©Andrew T. Young

 • Nous allons tenter de prouver tout au long de ce TPE l'existence véridique du rayon vert en l'analysant précisément. Nous allons d’abord voir qu’il s’agit d’un phénomène atmosphérique rare, aux paramètres physiques importants; puis nous étudierons ses conditions d'observation très précises.

Nous allons tout d’abord voir dans cette partie que le rayon vert peut se former grâce à certains paramètres physiques importants et également naturels. Nous remarquerons en effet que ces paramètres sont incontestables et permettent de prouver la véracité de ce phénomène encore souvent contesté.

A. L'atmosphère

B. La réfraction selon Snell et Descartes

C. La diffusion de Rayleigh

A. L'atmosphère

L’atmosphère est une enveloppe gazeuse qui entoure la Terre. Elle est nécessaire à la vie sur la planète. Elle protège en effet les êtres vivants des rayons nocifs (par exemple, des Ultra-violets) tout en réchauffant la planète (grâce à l’effet de serre ?). L’atmosphère est principalement constituée d’azote (78%), d’oxygène (20%) et de dioxyde de carbone (1%). On y trouve parfois quelques traces d’autres gaz.

Cependant, l’atmosphère est aussi principalement formée de couches d’air (stratosphère, thermosphère…) où la pression et la température varient suivant différent facteurs. 

©Astrosurf

Par exemple comme on peut le voir sur le schéma ci-dessus, la température peut changer selon les reliefs, les vents ou encore la latitude de l’endroit où l’on se trouve. On peut noter également que plus on se situe en altitude et plus la pression de l’air diminue (ce qui explique que la pression de l’air soit plus grande en mer qu’en montagne).


Tous ces facteurs nous permettent donc d’affirmer que l’atmosphère est un milieu hétérogène, indispensable à la formation du rayon vert.

B. La réfraction

Les rayons émis par le Soleil ne sont pas tous diffusés en atteignant la Terre : l’ultraviolet est absorbé par l’oxygène et l’azote de la haute atmosphère, l’infrarouge par la vapeur d’eau et le gaz carbonique de la basse atmosphère, par exemple. Cependant, lorsque les rayons qui nous proviennent franchissent une couche de l’atmosphère, ils rencontrent un obstacle. Comme nous l’avons précisé auparavant, l’atmosphère est un milieu hétérogène. De ce fait, les rayons sont réfractés.


• QU’EST-CE QUE LA RÉFRACTION ?

La réfraction, c’est la déviation d’un rayon lumineux d’un milieu à un autre milieu. Au XVIIe siècle, deux physiciens, Willebrord Snell et René Descartes, établissent une loi propre à la réfraction. Selon eux, lorsqu’un faisceau lumineux traverse une paroi séparant deux milieux différents, il change de
direction. Il existe une formule mathématique capable de déduire le type de réfraction d’un rayon dans un milieu précis.

           n : l’indice de réfraction d’un milieu

           v : la vitesse de la lumière dans ce milieu

           c : la vitesse de la lumière dans le vide (soit 299 792 458 m.⋅s-1 )

©Fabien2005, Wikipédia

Avant d’avoir rencontré la surface réfractante, le rayon est incident. Après la rencontre avec cette surface (aussi appelée dioptre), on le dit réfracté.

• L’angle orienté θ1 (en rouge sur le schéma) s’appelle angle d'incidence.

• L’angle orienté θ2 (en bleu sur le schéma) est l’angle de réfraction.

La formule de Snell-Descartes :

• Si n1>n2, alors le rayon bleu réfracté se rapproche plus rapidement de la surface réfractante que le rayon rouge incident.

En résumé, la réfraction nous permet d’étudier la trajectoire que prennent les rayons du Soleil en atteignant la Terre. Cette étude prouve donc que les rayons lumineux ne restent pas tout à fait horizontaux, mais sont déviés en rencontrant l’atmosphère. La réfraction est indispensable dans la formation et l’observation du rayon vert : cela signifie que l’observateur ne verra pas le Soleil à sa position réelle ; mais cela va surtout permettre la dispersion des couleurs (les couleurs et longueurs d’onde différentes sont séparée) et de ce fait : l’apparition d’un autre phénomène physique qui joue un rôle essentiel : la diffusion.

C. La diffusion

Dans le cas du rayon vert, la diffusion est surtout à l’origine de l’apparition de ce rayon de couleur verte au crépuscule ou à l’aube. Les rayons du Soleil, dans leur course vers la Terre, sont déviés par la réfraction et rencontrent des molécules de diazote ou de dioxygène de l’atmosphère. Lorsqu'ils entrent en contact, il y a alors une interaction : les ondes des rayons rebondissent sur les molécules d’air à-cause de la vibration de ces dernières. Durant ce contact, les atomes vont réémettre les ondes qu'ils reçoivent, c’est ainsi que s’opère la propagation de la couleur, étant donné qu'une onde correspond à une couleur spécifique. Après cette rencontre le rayon se trouvera plus ou moins diffusé (tout dépend de son intensité donc de sa longueur d’onde). C’est ce phénomène qui détermine donc la couleur du ciel. 


On constate également que la lumière que l’on perçoit sur Terre a deux origines :

- L’une vient directement du Soleil (il s’agit de petites longueurs d’ondes (entre 446 et 500 nm), celles qui correspondent à la couleur bleu et qui sont les plus diffusées : c’est d’ailleurs la raison de la couleur du ciel en plein jour.)

- L’autre subit de nombreux changements de directions (on parle ici de grandes longueurs d’ondes (de plus de 600 nm) qui sont moins diffusées.)

Schéma explicatif de la diffusion de Rayleigh, Christophe Dang Ngoc Chan, Wikipédia

On le voit sur le schéma ci-dessous : le bleu occupe une place beaucoup plus importante que le rouge étand donné qu'il est plus diffusé dans la journée.

Dans le cas du rayon vert, juste avant le coucher définitif du soleil, on perçoit un petit rayon vert qui a une longueur d’onde moyenne (entre 500 et 578 nm). On peut donc en déduire que celui-ci apparaît car la position du soleil permet la diffusion de longueurs d’ondes de taille moyenne.

Conclusion première partie

Nous avons pu constater que différents paramètres physiques agissent pour créer l’apparition du rayon vert. Il est en effet nécessaire que l’atmosphère soit hétérogène afin que les rayons du Soleil soient déviés en la rencontrant (cf. la réfraction et la loi de Snell-Descartes), mais il est aussi très important que ces rayons soient diffusés (cf. la diffusion de Rayleigh) car c’est là la clé de l’apparition de cette tâche de couleur verte au-dessus du Soleil à l’aube ou au crépuscule. Cependant, nous allons aussi étudier quelles conditions sont mises en place pour permettre son observation et pourquoi ce phénomène reste rare et méconnu.

Seconde Partie :

Le rayon vert est un phénomène très rare et difficile à observer. Cela s’explique en partie par le fait qu'il est demandé un grand nombre de facteurs pour voir sa formation. Nous allons donc étudier dans cette seconde partie quelles sont les conditions nécessaires à l’observation du rayon vert.

A. La perception des couleurs
B. Coucher et lever du Soleil
C. Comment observer le rayon vert ?