TPE rayon vert 2012-2013

mardi 25 décembre 2012

A. La perception des couleurs

L’œil humain réussit à percevoir certaines couleurs dans son environnement : ceux qui composent le spectre de la lumière blanche (c’est-à-dire, les couleurs de l’arc-en-ciel). En effet, dès qu'ils détectent une couleur, les cônes de l'oeil s'activent selon leur fonction. Par exemple, s'il y a diffusion d'une lumière rouge, c'est le cône "rouge" qui sera activé. Pour la couleur verte (correspondant au rayon vert), plusieurs cônes peuvent être activés afin de permettre la visualisation de la couleur.

La perception de ces couleurs est due à leur longueur d’onde. On apprend en effet qu’à chaque couleur correspond une longueur d’onde précise, exprimée en nanomètre. L’œil humain perçoit les longueurs d’ondes comprises entre 400nm (qui correspond au bleu) et 800nm (qui correspond au rouge) sur cette source polychromatique.

Les longueurs d’ondes inférieures à 400nm sont communément appelées les Ultras violets, tandis que les longueurs d’ondes supérieures à 800nm sont communément appelées les Infrarouges. Ce sont celles-ci qui sont invisibles pour l’œil humain.

Il est possible de calculer une longueur d’onde électromagnétique, à l’aide d’une formule simple qui allie la célérité de l’onde (donc sa vitesse), à sa fréquence.

$\lambda _0 = \frac{c}{\nu}$

• λ (longueur d'onde) exprimée en mètre

• ν (fréquence) exprimée en Hertz

• c (célérité de la lumière dans le vide) qui vaut 3×10⁸m.s, exprimée en m.s

Nous pouvons donc appliquer cette formule dans le cas du rayon vert, si l'on connait sa fréquence précise.

Ce résultat se situera dans l’échelle de perception de l’œil humain, nous pouvons donc affirmer que le rayon vert n’est pas une illusion d’optique et que l’œil est capable de percevoir nettement sa couleur.

lundi 24 décembre 2012

B. Coucher et lever du Soleil

Lors du lever ou du coucher du soleil, le ciel change de couleur. Il passe du bleu (c’est-à-dire les petites longueurs d’onde) au rouge -orangé (couleurs correspondant aux grandes longueurs d’onde). Comment le ciel bleu change-t-il de couleur lors du lever et coucher du Soleil et pourquoi cette condition permet l’apparition du rayon vert ?

Le changement de couleur du ciel s’explique d’abord par la distance que parcourent les rayons du soleil en allant vers la Terre. On remarque en effet que lorsque le soleil se lève ou se couche, il s’éloigne de la région terrestre où il se trouve. Le nombre de molécules sur lesquelles les rayons lumineux rebondissent augmente donc fortement. La diffusion ainsi est plus importante. Or, plus il y a de diffusion, plus les grandes longueurs d’onde sont diffusées. Ici, pour le crépuscule par exemple, il s’agit des ondes rouges ou orange qui correspondent à de grandes longueurs d’ondes.

©voyagesaucoeurdelascience

Le rayon vert ne peut s’observer que lors du coucher ou du lever du Soleil. Nous avons vu auparavant que la réfraction du Soleil a pour impact de « séparer » les différentes couleurs, autrement dit, elle permet de les disperser. Au fur et à mesure que le soleil descend sous l'horizon, les couleurs du spectre du Soleil disparaissent une à une à commencer par le rouge, l'orange, puis le jaune. Lorsqu’elles ont toutes disparu, parfois, très rapidement, la seule et dernière couleur qui reste visible est le vert. Il s’agit donc du rayon vert, mais il est très rare à observer et nous allons voir pourquoi.

jeudi 13 décembre 2012

C. Comment observer le rayon vert ?

Le phénomène du rayon vert est rarement visible car il apparaît à cause de facteurs météorologiques particuliers mais demande aussi une certaine expérience à la personne qui souhaiterait l'observer. Nous allons donc ici tenter de comprendre quelle doit être la météo nécessaire puis nous verrons l'importance de l'expérience de l'observateur.

Il existe des conditions (météorologiques) d’apparition du rayon vert, telles que :

• Une atmosphère calme et un ciel clair.
• Une différence de température entre le sol et la basse atmosphère (cf. schéma ci-dessous)

Schéma des différentes températures dans les différentes couches de l'atmosphère.

• L’absence d’objet, de nuage et de poussière à l’horizon

• L’ampleur de la pente de l’inversion de température.

Les principales conditions d'observation liées à l'expérience de l'observateur sont plus précises.
En effet, en fonction de la position de l’observateur, le temps du phénomène peur varier de une à quinze secondes.

• Une hauteur adéquate : un théorème de l’optique atmosphérique explique que les images multiples ou inversées qui forment ce phénomène peuvent uniquement se produire sous l’horizon astronomique, c’est-à-dire sous l’intersection entre le plan de l’horizon et la sphère céleste (cf. photo et schémas explicatifs ci-dessous). C’est ainsi la hauteur de l’œil de l’observateur qui détermine la pente de l’horizon apparent, donc la largeur de la zone entre ciel et Terre où se produit le rayon vert.

Nous voyons ic que l'horizon astronomique est plus "large" que l'horizon atmosphérique et permet une vision plus grande sur la mer, favorable pour l'observation du rayon vert.

Deux visions du rayon vert : l'une avec l'horizon atmosphérique, l'autre en hauteur avec l'horizon astronomique (qui permet une meilleure visualisation) selon les théorèmes d'optique.

©M. Bentz

• Des endroits précis et privilégiés : si on dispose d’un horizon dégagé à quelques mètres au-dessus du niveau de la mer ou en altitude, et si on distingue la courbure apparente de la Terre, il y a quelques chances d’observer le rayon vert.Les régions d’altitude sont privilégiées pour regarder l’horizon, mais elle est souvent cachée par les montagnes et les gens s’y aventurent beaucoup moins que sur la plage.

• Des lieux de la planète plus favorables : il reste évidemment des sites comme la Sierra Nevada en Espagne ou les hauts-lieux de l’astronomie tels que La Silla, Cerro Tololo, Hawaaii se situant au-dessus des couches nuageuses et où la probabilité que le rayon vert apparaisse est plus grande. (Les nuages ne pourront pas masquer sa vue).

Conclusion seconde partie

Nous avons vu dans cette seconde partie comment pouvons-nous observer le rayon vert. Nous avons en effet constater que la couleur de ce rayon est présente dans le spectre de la lumière blanche, visible par l'oeil humain, puis quels paramètres du coucher de Soleil assurait sa visibilité, et enfin, nous avons précisé qu'une certaine expérience devait être requise pour l'observateur et que certains endroits de la planète étaient privilégiés pour cette observation très rapide et rare.

lundi 3 décembre 2012

Conclusion

Le rayon vert est un phénomène naturel rare mais existant. En effet nous avons démontré dans ce TPE que le rayon vert existe et peux être expliqué. Il est la somme de nombreux phénomènes physiques, tels que la diffusion entraînée par la réfraction. Mais il s’agit aussi et surtout de phénomènes naturels importants : une atmosphère calme avec une différence de température entre celle-ci et le sol ou encore le lieu et le moment où se trouve l’observateur. Le rayon vert reste encore un évènement rare et aléatoire. S'il a longtemps été résumé au titre de "mythe" ou de "légende", il est prouvé que son apparition n'est pas une illusion d'optique. En effet, les scientifiques arrivent désormais à étudier et à expliquer ce phénomène qui fascine les voyageurs et les connaisseurs de son existence.