Introduction :

   Les mirages sont des phénomènes d'optique dus à la réfraction de la lumière. Pour comprendre les mirages, il faut tout d'abord comprendre le principe de la propagation rectiligne de la lumière, selon les lois de R. Descartes sur la réfraction et la réflexion et la caractérisation des milieux optiques. Un milieu optique est caractérisé par un indice, dit " indice de réfraction " qui "mesure" la vitesse de la lumière dans ce milieu (n = c/v : n, indice du milieu ; c, célérité de la lumière dans le vide soit 299 792 458m/s ; v, vitesse de la lumière dans le milieu considéré). Donc plus cet indice est élevé, plus la lumière se propage lentement dans ce milieu. L'indice de réfraction de l'air dépend de sa densité et donc de sa température. Plus la densité ou la température est élevée et plus l'indice est faible et donc plus la lumière est rapide dans ce milieu. Les lois fondamentales de l'optique ne sont valables que dans un milieu homogène dans lequel l'indice de réfraction est le même partout.

 

Explication :

    Les mirages ont une explication simple : la lumière suit une trajectoire courbe. Pourtant les rayons lumineux se déplacent en ligne droite, mais la lumière ne suit une trajectoire rectiligne que dans un milieu homogène, transparent et isotrope c'est-à-dire dans un milieu d'indice constant. Dans l'air, la température n'est pas constante, entre la température près du sol et celle à un mètre de hauteur il peut y avoir une différence de 10 °C. Or, chaque couche d'air de température donnée représente un milieu spécifique ; et chaque milieu (d'optique) est caractérisé par un indice [dit indice de réfraction qui " mesure " la vitesse de la lumière dans ce milieu]. Ainsi, lorsque la lumière passe d'une couche à une autre, c'est-à-dire d'un milieu d'optique à un autre, donc d'un milieu physique à un autre (ayant des propriétés différentes), les rayons lumineux changent de comportement et leur trajectoire en est affectée : changement de direction, changement de vitesse, réfraction, diffusion. Donc quand un rayon lumineux passe d'une couche à l'autre, il change de direction ce qui va avoir pour effet de grossir voir même de "retourner" l'image envoyée par ces rayons. Donc ce sont les variations locales ou globales de température et de pression dans l'atmosphère qui engendrent les mirages. L'origine de ces variations de température, proche du sol, est un inversement de température en altitude ou un réchauffement au ras du sol ou de la mer. On obtient des images inversées, on parle alors de réfraction de la lumière au contact d'un air plus chaud. Quand les rayons lumineux provenant d'un objet s'incurvent vers le haut (le sol est chaud), c'est un mirage inférieur ; et quand les rayons lumineux s'incurvent vers le bas (le sol est froid), on obtient un mirage supérieur.

Revenons au aux principes fondamentaux du mirage :

 

Les lois de Descartes

Si un rayon passe d'un milieu 1 avec un angle d'incidence i1 à un milieu 2, avec un angle de réfraction i2, alors:
SINi1/SINi2 = C1/C2 = N2/N1
C1 = vitesse de propagation de la lumière dans le milieu 1
C2 = vitesse de propagation de la lumière dans le milieu 2
N1 = Donnée en fonction du milieu n1 qui dépend de la longueur d’onde de la lumière
N2 = Donnée en fonction du milieu n2 qui dépend de la longueur d’onde de la lumière
Par définition, pour le vide n=1 neau=1.00027 et nair=1.33, dans les conditions normales de températures et de pression.
L'indice de réfraction est proportionnel à la densité de l'air, et donc inversement proportionnel à la température.
Deux principaux cas :
1er cas où n2>n1, le milieu 2 est plus réfringent que le milieu 1 et le rayon se rapproche de la normale.

2nd cas où n1>n2, le milieu 2 est moins réfringent que le milieu 1 et le rayon s'écarte de la normale.

Nous allons donc vous expliquer et illustrer les principaux mirages, et tenter de vous en expliquer la cause.