Comment se forme un mirage ?

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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)