réponse simple
Réponse simple :
Les mirages sont des phénomènes optiques bien réels qui ont lieu dans des circonstances particulières1.
La forme la plus courante est le mirage chaud, ou mirage inférieur2, qui se produit lorsque la température du sol est très élevée (désert, route goudronnée,…) et donne l’impression d’une flaque d’eau.
Un mirage chaud sur une route de campagne
L’air chaud étant moins dense que l’air froid, il se forme une couche à proximité du sol où la lumière passe plus facilement. Les rayons lumineux provenant du ciel et des objets surplombant la route sont alors déviés par cette différence de densité : ils effectuent une courbe vers le bas au lieu de continuer tout droit3.
Lorsque nos yeux (ou un appareil photo) reçoivent finalement ces rayons, ils les interprètent comme s’ils étaient rectilignes, d’où l’impression qu’ils proviennent du sol. Un reflet fantôme de ces éléments nous apparait donc par terre au loin en conséquence de cette déformation optique.
Comme il s'agit d'un phénomène optique, le mirage semble s'éloigner à notre approche (© IS)
réponse avancée
Réponse avancée :
Les mirages sont des phénomènes bien réels qui se produisent dans des circonstances particulières. Il ne s’agit donc pas d’illusions provoquées par notre cerveau, mais de déformations optiques découlant des propriétés de la lumière1.
On distingue couramment deux types de mirages2 :
- les mirages chauds, ou inférieurs, qui se produisent lorsque la température du sol est élevée (désert, route,…) et provoquent l’apparition de flaques d’eau.
Un mirage chaud sur une route de campagne
- les mirages froids, ou supérieurs, qui se produisent dans le cas inverse (banquise, océan arctique,…) et donnent l’impression que les objets se reflètent dans le ciel.
Mirage froid dédoublant un paquebot (source)
Dans de rares cas, ces situations peuvent se combiner pour former des variations optiques particulières appelées Fata Morgana, ou Fata Bromosa4.
Une Fata Bromosa, résultant de différents courants chauds et froids (source)
Ces situations sont toutes deux induites par une forte variation de la température de l’air au-dessus du sol (au moins 3°C par mètre)6. Comme l’air chaud est moins dense que l’air froid (dû à l’agitation thermique), il se forme des couches à partir du sol.
Selon le principe de Fermat, la lumière emprunte toujours le trajet le plus court, mais d’un point de vue temporel uniquement. Ainsi, pour aller d’un point à l’autre dans un milieu homogène, les rayons se déplacent en ligne droite. Toutefois, si le milieu change, comme par exemple entre l’air et l’eau, la lumière effectuera un chemin plus important dans la phase la moins dense, d’où l’apparition d’une déformation optique7.
La baguette semble brisée car les rayons lumineux sont réfractés en changeant de milieu
Cette observation peut être quantifiée avec la loi de Snell-Descartes 5 :
Loi de réfraction de la lumière vue sous forme de rayon
Où n1 et n2 sont les indices de réfraction attribués aux milieux en fonction de leur capacité à ralentir les rayons lumineux. On peut donc déduire l’angle de la lumière après passage du dioptre (séparation entre les deux milieux).
Dans le cas des mirages, le phénomène est similaire. Les couches d’air de densité différente vont dévier les rayons lumineux du côté le moins dense en formant une courbe3.
Lorsque le rayon arrive à un certain angle limite, il est alors réfléchi (changement d’incurvation) et à nouveau réfracté jusqu’à nos yeux.
Lorsque le sinus de l'angle du rayon incident s'approche de 1, il se produit une réflexion totale
En recevant cette lumière déviée, nos yeux (ou une caméra) retranscrivent alors une image en prolongeant la direction d’incidence des rayons. Nous percevons donc le reflet fantôme des objets lointains et du ciel, phénomène optique qui s’estompe à notre approche à cause du changement d’angle de vue.
Le mirage n'est visible que sous un certain point de vue (© IS)
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Commentaires
Bonjour Elise,
C'est une question très intéressante !
Après quelques recherches, je me suis rendu compte que tous les cas sont en fait possibles. Pour un mirage inférieur l'image est souvent renversée mais c'est possible qu'elle soit droite. Pour un mirage supérieur l'image sera plus souvent droite mais dans certains cas elle peut être renversée.
Donc ça dépend au cas par cas ! En plus l'image sera souvent très déformée (étirée ou même dédoublée). Cela dépend en fait de comment l'indice de refraction va changer en fonction de la hauteur dans l'air. Pour que ce soit plus clair, je joins deux images qui montrent grossièrement les deux scénarios pour un mirage inférieur.
Je souhaiterai savoir : pourquoi est ce que vous dessinez les arbres à l'envers sur vos schémas ?