Le rayon vert (et même le rayon bleu), un phénomène atmosphérique réel que l'on peut photographier

Le rayon vert fait partie des phénomènes dont beaucoup de gens parlent, que bien peu ont vu et encore moins photographié, et dont beaucoup croient qu'il s'agit d'une légende. Ce phénomène a fait fantasmer des générations d'esprit curieux ; il a inspiré des romanciers (cf. Le rayon vert de Jules Verne), des cinéastes (cf. Le rayon vert d‘Éric Rohmer)…

Ce phénomène existe, on peut le voir et même le photographier presque par hasard. Le 27 octobre 2017, j'ai voulu immortaliser un beau coucher de soleil dans le désert du Namib (en Namibie). Je ne pensais pas trop au rayon vert, ayant vainement cherché à le voir de très nombreuses fois. J'ai pris une dizaine de photographies du disque solaire disparaissant derrière les dunes entre 19h03min00s et 19h0min26s. Et le rayon vert est apparu furtivement dans le viseur de mon appareil à 19h05min25s, a duré deux secondes et a disparu ensuite. C'est sans doute parce que je m'attendais à quelque chose de plus intense et de plus durable que je ne l'avais jamais remarqué dans les centaines de couchers de soleils auxquels j'avais assisté auparavant.

Les trois prochaines figures expliquent la physique du phénomène. La photographie suivante (figure 5), prise à 19h03min) montre le cadre morphologique où ont été prises les photographies, à peu près 2,5 minutes avant l'apparition du rayon vert.

Ensuite, nous vous montrons quatre séries de quatre photographies, correspondant à quatre agrandissements numériques de plus en plus grand des quatre images prises en six secondes, respectivement à 19heures 5 minutes et 19, 24, 25 et 26 secondes.

Enfin, après une photographie de meilleure qualité du phénomène de rayon vert prise par un télescope depuis le Massif des Maures, nous vous montrerons un phénomène beaucoup plus rare car nécessitant un site exceptionnel : un rayon bleu photographié depuis le Pic du Midi (Hautes Pyrénées).

Deux phénomènes physiques expliquent le rayon vert : la réfraction-décomposition de la lumière par un prisme et la diffusion de la lumière par l'atmosphère.

L'atmosphère, ou plutôt sa limite supérieure peut en effet être assimilée au bord d'un prisme qui décompose la lumière blanche du soleil en toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Cet effet est nul quand le soleil est au zénith (incidence perpendiculaire), extrêmement faible et imperceptible avec une incidence oblique non rasante, et ne cesse d'être négligeable que lorsque l'incidence est rasante (soleil se couchant ou se levant).

L'atmosphère est constituée de particules (molécules de N₂ et de O₂ contenant en suspension des aérosols de micro-gouttelettes d'eau, de micro poussières…). Quand la lumière (blanche) du soleil traverse une grande épaisseur d'atmosphère (soleil couchant par exemple), toutes les longueurs d'onde sont diffusées dans toutes les directions. Dans le cas des molécules de taille très inférieure à la longueur d'onde, la proportion de rayonnement dévié augmente fortement si la longueur d'onde diminue (loi de Rayleigh, section efficace proportionnelle à 1/λ⁴). Le rayonnement de courte longueur d'onde (bleu) est environ 6 fois plus diffusé que celui de grande longueur d'onde (rouge). Cette propriété se retrouve à l'échelle macroscopique pour le gaz atmosphérique, car c'est un milieu dilué où les molécules sont aléatoirement distribuées. Lorsque le soleil est bas sur l'horizon, son rayonnement traverse une grande épaisseur d'atmosphère et subit un grand nombre de diffusions, ce qui le prive d'une grande partie de sa composante bleue.

Quand les conditions météorologiques sont favorables (peu de turbulence…), ces deux phénomènes (réfraction et diffusion différentielle) se conjuguent et donnent naissance au rayon vert. Ce phénomène est d'autant plus fréquent et visible que l'atmosphère traversée et importante, c'est-à-dire que l'horizon est loin de l'observateur. C'est pour cela que l'observation du rayon vert est plus fréquente avec un horizon dégagé comme sur la côte ou depuis le sommet d'une haute montagne dominant une plaine (ou la mer). On peut même ajouter un très léger effet de la température car l'indice de réfraction augmente lorsque la température diminue, ce qui augmente aussi l'écart d'angle de réfraction entre rouge et vert, d'où des conditions théoriquement légèrement pus favorables par temps froid.

Si on dispose d'un télescope, même amateur, la résolution est bien meilleure qu'avec un simple téléobjectif d'appareil photographique. On peut alors voir et photographier une frange verte au-dessus du soleil avant que celui-ci ne soit complètement caché, comme en témoigne l'image suivante d'un coucher de soleil sur la Méditerranée.

Dans certains sites de montagne, en particuliers ceux qui ont été choisis pour y installer des observatoires astronomiques, l'atmosphère est très pure et ne contient que très peu de vapeur d'eau et d'aérosols divers. La diffusion y étant très faible, et la lumière bleue, voire violette, n'y est que très peu atténuée. On peut alors voir un rayon bleu. C'est parfois le cas depuis le site du Pic du Midi de Bigorre (Hautes Pyrénées), comme le montre les photographies ci-dessous prises par Patrick Lécureuil, animateur à la Ferme des étoiles(lien externe - nouvelle fenêtre)↗.

Ces deux exemple métropolitains montrent que ce n'est pas la peine d'aller au bout du monde pour assister à de beaux phénomènes astronomico-atmosphériques.