Les mirages sont des phénomènes à la fois surprenants et assez courants ! Ils ont la particularité de tromper le cerveau, impliquant des phénomènes physiques assez particuliers.

Un mirage est une illusion d’optique, donnant l’impression d’apercevoir une flaque d’eau au loin lors de fortes chaleurs. Bien sûr, il n’y a pas vraiment de « flaque d’eau », c’est notre cerveau qui nous joue des tours !  Les principaux phénomènes physiques rentrant en jeu sont la réfraction et la réflexion.

La réfraction : une histoire de vitesse

Pour comprendre ce phénomène, il faut tout d’abord connaitre une règle essentielle régissant le trajet des rayons lumineux. Pour aller d’un point A à un point B, ils choisissent toujours le chemin le plus rapide. Ce caractère « fainéant » de la lumière n’est pas surprenant. Intuitivement, nous savons tous que, au sein d’un milieu homogène (c’est-à-dire un milieu dont les propriétés sont uniformes), les rayons lumineux se déplacent en ligne droite. En effet, dans ce cas, le chemin le plus rapide est la ligne droite. Cependant, lorsque plusieurs milieux avec des propriétés différentes se rencontrent, ce n’est plus le cas ! Imaginez que vous êtes sauveteur en mer, et que vous apercevez une personne en difficulté au loin.

Le sable correspond au premier milieu, et l’eau correspond au second. Chaque milieu ayant ses propres caractéristiques, vous avez une vitesse de parcours différent sur ces derniers. Sur la plage, vous courez à une vitesse de 18 km/h, alors que dans l’eau, vous atteignez à peine 10 km/h. Vous devez bien sûr atteindre la victime le plus vite possible, afin d’éviter la noyade. Selon vous, quel parcours est le plus rapide ?

Sauveteur portant secours à une victime. Quel est trajet doit-il prendre ?

À première vue, on pourrait penser que la ligne droite est le chemin le plus rapide. Le principal problème est que l’eau vous ralentit beaucoup. Il est peut-être préférable de diminuer votre trajet dans l’eau, quitte à rallonger celui sur le sable, où vous êtes plus rapide. Bien sûr il faut être raisonnable : si vous tenter de minimiser votre trajet dans l’eau, celui sur le sable sera bien trop grand ! Finalement, le trajet le plus rapide est celui représenté en vert.

Trajet le plus rapide, afin d’atteindre la victime

Il est également à noter que, plus on diminue la vitesse de notre secouriste dans l’eau, plus il aura tendance à diminuer sa distance parcourue dans ce milieu. Autrement dit, il effectuera un virage plus serré.  Et bien, la lumière suit le même comportement que notre sauveteur. Prenons deux milieux homogènes différents, par exemple l’air au-dessus d’eau. Nous savons que la vitesse de la lumière est plus faible dans l’eau que dans l’air. On retrouve le cas de notre sauveteur ! Pour optimiser son trajet, la lumière va donc établir un trajet optimisant son temps de parcours.  Dans le cas d’un rayon lumineux, le trajet sera le suivant :

Réfraction entre de l’air et la surface de l’eau

Pour calculer rapidement le trajet des rayons lumineux entre deux milieux, nous avons recours aux « indices de réfraction ». Ces derniers sont propres à chaque milieu, et dépendent de nombreuses variables. Cet indice quantifie la vitesse de la lumière dans ce milieu, avec comme référence sa vitesse dans le vide. Plus il se rapproche de 1, plus la vitesse de la lumière dans ce milieu sera rapide. ( n=1 dans le vide). Sa valeur minimale est donc 1, et est croissante selon les différents milieux. Par exemple, prenons deux milieux homogènes, l’air et l’eau.  Si on note a l’angle incident et b l’angle réfracté, nous avons Latex formula.

Si nous remplaçons cette fois-ci l’air pas du verre, qui possède un indice de réfraction plus élevé que l’eau, alors l’angle b sera plus grand que l’angle a.

Réfraction antre l’air et du verre

Il y a également un autre phénomène présents lors de l’apparition des mirages : la réflexion de la lumière.

La réflexion : une histoire d’angle

Gardons la configuration précédente, à savoir de l’eau surmontée par une couche de verre. Si on augmente l’angle a suffisamment jusqu’à un angle limite ( ici Latex formula), le rayon sera réfracté de telle sorte à ce qu’il sera parallèle à la surface de l’eau.  Un rayon incident possédant un angle plus élevé que l’angle limite se verra réfléchi.

Réflexion de rayons lumineux sur la surface de l’eau

Le mirage : une histoire de température

Vous l’avez sans doute déjà remarqué, les mirages se produisent généralement lors de fortes chaleurs. En effet, le rayonnement solaire va chauffer le sol. Par conduction, ce dernier va faire transmettre une partie de sa chaleur à l’air au niveau de sa surface. Plus nous nous éloignons du sol, plus l’air sera frais : nous sommes en présence d’un gradient de température. Nous pouvons découper l’air en fine couche, avec chacune une température. Dans notre cas, la température des couches diminue en fonction de l’altitude.  De plus, l’indice de réfraction diminue avec la température ! Nous pouvons donc associer, à toutes nos couches d’air, un indice de réfraction, qui va diminuer selon l’altitude.  En somme, la température diminue avec la hauteur, et l’indice optique augmente suivant la même direction.

Imaginons que vous regardiez un palmier à l’horizon. Les rayons lumineux provenant de ce dernier vont traverser la première couche d’air. Ensuite le rayon lumineux va rencontrer un changement de milieu dû à la température plus élevée de la couche suivante, faisant également augmenter son indice de réfraction. Nous serons donc dans le cas verre/eau : un indice de réfraction plus élevé au sein du milieu supérieur, et un indice de réfraction plus faible dans le milieu inférieur.Le rayon va donc changer de direction à chaque fois qu’il rencontrera une couche d’aire de température différente de la précédente.  Cependant, l’indice de réfraction étant croissant avec la profondeur, l’angle d’incidence va augmenter de plus en plus jusqu’au moment où il dépassera l’angle limite : la réfraction ne sera plus possible, et le rayon sera réfléchi. Ce dernier va ensuite rencontrer des couches d’air de plus en plus froides. L’indice de réfraction sera de plus en plus élevé, et le rayon lumineux va continuer à être dévié, jusqu’à atteindre nos yeux ! Le trajet de la lumière va donc suivre une courbe.

Trajet d’un rayon lumineux dévié au sein des couches d’air de différentes températures (rouge : température la plus élevée, bleu : température la plus basse)

En regardant en direction du sol, notre homme va donc voir les feuilles du palmier, ce qui n’est pas très cohérent pour notre cerveau !  Or, dans la nature, nous rencontrons ce cas lorsque nous apercevons un reflet dans une flaque d’eau ! Il va donc tout naturellement se dire : « tiens, je vois également cet objet à l’envers : c’est donc une flaque d’eau ! ». Encore une preuve que notre cerveau nous joue des tours !

Conclusion

En conclusion, le mirage est un parfait mariage entre des phénomènes physiques et un cerveau pas toujours rationnel. En effet, les variations de température au sein des couches d’air induisent une variation d’indice optique. Les rayons lumineux vont donc être déviés, avec l’aide de la réflexion. Notre cerveau va interpréter cette « anomalie » à sa façon, à savoir une flaque d’eau !