Ça fait un petit moment que je n’ai pas répondu à une question que personne ne se pose. Alors voilà la question : d’où vient cette impression de voir une flaque d’eau au milieu de la route quand il fait chaud ?

Tout le monde a déjà vu ça, quand on regarde sur une longue route droite par un temps où il fait très chaud (plus de 30°C), on croit apercevoir une flaque d’eau :

mirage

Ceci n’est pas une illusion inventée par le cerveau ni un de ces effets paranormaux, mais il s’agit d’un phénomène physique bien connu : un mirage.
Il s’agit même d’un mirage dit « inférieur », en référence à sa courbure par le bas et par opposition à un mirage dit « supérieur ».

Quand il fait très chaud, la route et le bitume chauffent (atteignant jusqu’à 70~80°C), et la couche d’air situé dans les premiers centimètres au-dessus est également chauffée à ces températures.
Mais si on monte au plus haut au-dessus du sol, la température chute rapidement aux températures ambiantes (30~40°C), on dit qu’il y a un fort gradient de température (variation importante sur une faible distance).

Ce gradient de température induit un gradient tout aussi brutal dans l’indice de réfraction optique de l’air.

Or, exactement comme il se produit dans une fibre optique (possédant également un gradient de l’indice de réfraction), la lumière est réfractée, non pas en formant un angle de réfraction comme avec un prisme (ci-dessous à gauche), mais avec une courbure lisse et continue (ci-dessous à droite) :

refraction de la lumiere

Pourquoi je vous explique ça ? Parce que c’est la base de ce phénomène ! La lumière change de direction, or c’est elle qui transporte l’image de ce que l’on voit.
Sur l’image ci-dessous, tout devient clair : en fait ce n’est pas de l’eau que l’on voit sur la route, mais une image déviée du ciel (ou des objets se trouvant sur la route comme une voiture) :

pourquoi on voit le ciel

Ce que l’on voit ce sont les rayons de lumière émis par les objets. Et les positions que l’on voit sont les endroits d’où semble provenir la lumière, pas d’où elle est émise.

À gauche, le rayon qui arrive vers l’œil provenant du sol a été émis par la route : on voit la route ! La lumière du ciel est absorbée par la route, et réémise (la température n’est pas suffisante pour affecter la courbure de la lumière).
À droite, le rayon provient du sol, mais il n’est pas émis par la route, il est émis par le ciel puis renvoyé en haut à cause de la chaleur : on voit le ciel !

Maintenant une question se pose : pourquoi voit-on le ciel (l’effet mouillé) au loin, et plus quand on s’en approche ?
En fait, il faut bien voir que sur mon dessin, la courbure est très importante. Dans la réalité, la courbure est présente, mais son rayon de courbure est très grand : il faut bien 100 mètres pour que la lumière arrivant à l’horizontale sur le sol parvienne de nouveau à hauteur d’homme pour qu’on la voie.
De plus, si l’angle est trop grand entre la route et le rayon venant vers vous, il ne peut pas être un rayon dévié, mais seulement émis par le sol (à cause de l’existence d’un angle limite de réflexion totale séparant les rayons réfléchis et absorbés)

Bon ben voilà :-)
Maintenant vous savez !

Au passage, une forte variation de température qui distord les rayons lumineux est visible dans 3 cas simples (on a tous vu ça, au moins les deux derniers) :
  • Les mirages supérieurs : le gradient de température se situe en haute altitude, et les rayons partant d’au-delà l’horizon sont renvoyés en bas vers nous : on voit donc un objet situé plus loin que l’horizon.
  • Quand on a une flamme : les gaz très chaud ont un indice de réfraction différent de l’air ambiant, et au-dessus de la flamme on observe des distorsions du paysage.
  • Quand on verse de l’eau froide (~0°C) dans notre thé chaud (100°C) : on voit très bien là aussi des sortes de « nuages ». Ce sont des mini-mirages également.

22 commentaires

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Guenhwyvar a dit :

Oh, j'ai compris ! C'est pas souvent, sur tes trucs scientifiques (je sais toujours pas pourquoi une vitesse supraluminique est impossible…)
Par contre, je bois pas de thé.

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qwerty a dit :

C'est le même effet que l'on voit sur les voitures quand il fait 40° également. Par contre, j'ai pas du faire trop attention aux flaques pour me poser la question (malgré mon esprit curieux)!

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Gee a dit :

La vache, j'ai *failli* faire mon article d'aujourd'hui sur les mirages Oo
Les grands esprits se rencontrent...

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Lags a dit :

C'est aussi pour ça que les lumières des villes scintillent la nuit. ;)
D'ailleurs c'est drôle (ou pas), demain j'ai examen de fibres et je ne veux absolument pas tomber sur les gradients d'indice. Dès qu'on rentre dans les maths, c'est assez compliqué ... :D On considère une couche aussi petite que nécessaire, on l'appelle dr et on étudie les infimes changements entre la couche précédente et celle-ci.

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Lypik a dit :

Très bien expliqué Timo. En effet j'ai remarqué ce mirage plus d'une fois par forte chaleur, et je me suis toujours demandé d'où ça venait de par ma curiosité ^_^. Maintenant je pourrais sortir mon savoir grâce à toi sur ce phénomène :-p.

Tu pourrais le proposé sur Se coucher moins bête même si c'est long :-).

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X3N a dit :

Question que je me pose tout le temps et je savais pas comment trouver la réponse ^^
Merci bien :)

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G... a dit :

Excellent !
Tu pourrais m'expliquer le foncitonnement du "mode nuit" d'un rétroviseur intérieur de voiture aussi ? :D
Merci pour ces explications ! ;)

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Le Hollandais Volant a dit :

@Gee : tiens, c'est pas la première fois que ça nous arrive :D.
Les grands esprits, en effet.
Au fait, j'ai vu que tu avais ouvert ton blog, je vais aller voir ça :)

@Lags : oh oui c'est compliqué, j'en ai bouffé aussi des gradients d'indices, et de l'optique ondulatoire avec des sinus cardinaux et des exponentielles partout. La modelisation mathématique est vraiment lourde.

@Lypik : ce n'est pas encore fait, mais pourquoi pas. si je met ma page en source, ça peut. Mais une fois approuvées, les articles mettent souvent plusieurs mois avant de paraître.
J'en ai déjà publié 5 ou 6 sur le site (sur une vingtaine de proposé). Une de plus est en attente de publication d'ailleurs depuis quelques mois.


@X3N : le plaisir est pour moi :-)

Si vous avez d'autres idées d'articles comme ça, n'hesitez pas. Le prochain devrait être sur les arc-en-ciel (je n'ai compris le principe complet que très récemment), autre phénomène magnifique.

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detleft a dit :

je m'en excuse d'avance mais je ne suis pas un arriviste qui veut épater la galerie, beaucoup de sujet m'interresse.
Celui-la, tout comme l'autre, aurait-il un rapport avec ce principe qui en théorie explique que tout corps plongé dans un liquide reçoit une poussée égale au volume de liquide déplacé?

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bilel a dit :

J'aime bien les mirages "froids", j'ai eu l'occasion d'en voir sur la côte atlantique au Maroc. Un peu comme celui-là : http://light-color.jp/shinkirophoto.html

Une superstition de marins marocains racontait qu'il ne fallait pas rôder près de la zone de mirage, parce c'était un mauvais présage de la part de la "dame de la mer", annonciateur de naufrage ou de dérive en mer.
Ça m'a été dur d'expliquer à certains le principe physique de la chose ...

Belles illustrations Timo, "didactiques" même :)

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Le Hollandais Volant a dit :

@detleft : la théorie dont tu parles c’est la poussée d’Archimède (« la poussée reçu par un corps plongé dans un fluide est égale au poids du volume de fluide déplacé »), et non elle n’a rien à voir.

Ici, l’image de la flaque d’eau n’est que le fait de voir quelque chose (le ciel) là où il ne se trouve pas (sur la route). Rien à voir avec la force d’Archimède donc :)


@bilel : je n’ai jamais eu l’occasion de voir de mirages froids (ou supérieurs) comme celui-là.
C’est sûr que quand on veut expliquer le principe physique ou technique de quelque chose, on doit souvent utiliser des notions de physiques. Ça devient très dur d’arriver à s’en passer pour les explications.
Le but de la vulgarisation est d’expliquer des choses compliquées avec des choses simples, tout en restant dans le vrai. Mais parfois ce n’est tout simplement pas possible, et il faut des notions minimales.
Il est plus simple par exemple d’expliquer ce qu’est la relativité d’Einstein qu’expliquer pourquoi l’ampoule brille quand on appuie sur l’interrupteur…

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Nabla a dit :

Timo, en tant que collegue etudiant en physique je te tire mon chapeau. J'ai deja etudie les gradients d'indice en physique experimentale mais grace a toi je viens de le relier a ce phenomene qui m'intriguait beaucoup.

@Guenhwyvar :
Pour la vitesse supraluminique, il y a peu de choses a comprendre : elle est impossible par definition. L'experience montre que dans tout referentiel inertiel, les lois de la physique sont les memes (lois auxquelles est reliee la fameuse vitesse de la lumiere c). Ex : dams une voiture tu ne 'ressens' ni la position ni la vitesse de la voiture, mais les accelerations (et les virages meme a vitesse constante car ce sont en fait des accelerations, de meme pour les freinages) creent des forces fictives.
Et pour satisfaire cette condition dans le cas des lois electromagnetiques (dites de Maxwell), on doit appliquer les transformations de Lorentz pour passer d'un ref. a un autre. Et ces transformations montrent que entre deux ref. (puisqu'il n'y a pas de ref. absolu), les longueurs peuvent se contracter, le temps peut se dilater mais c est et reste invariant. En partant d'un ref. (ex : Terre), on peut (en theorie...) pousser a mort sa vitesse, on aura l'air completement aplatis (dans le sens de la vitesse) aux yeux des terriens, notre temps sera ralenti par rapport a eux, mais on verra toujours la lumiere aller a c, et les terriens verront toujours la lumiere aller a c.
Et si tu te demandes pourquoi si il n'y a pas de ref. absolu, pourquoi ce ne sont pas les terriens qui ont leur temps ralenti puisqu'ils vont super vite par rapport a nous. En fait, c'est parce que le vaisseau spatial en accelerant, n'est plus inertiel par rapport a la Terre et il emprunte un chemin plus court en temps par cette acceleration.
Bon, ce n'est pas ma specialite et j'espere ne pas m'etre plante ou avoir ete confus, mais en gros c'est juste la necessite d'avoir des lois physiques identiques dans 2 referentiels inertiels qui rend c identique dans tout referentiel et par la indepassable (a ma connaissance).

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Guenhwyvar a dit :

@Nabla : Merci, mais, euh… j'ai absolument rien compris :x

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Le Hollandais Volant a dit :

@j-c : oh, mais c’est un très bon sujet !
Depuis le nombre de fois qu’on me le demande !

Tiens, je n’avais jamais vu le Hollandais Volant comme un mirage pour l’explication rationnelle. Il faut dire que ça expliquerais bien des choses :
– pourquoi il apparaît et disparaît d’un coup ;
– pourquoi il semble briller d’une lueur rouge ;
– …

Bref, pas mal de témoignages, comme ceux de Georges V ou les apparitions de 1940 pourraient être expliqués ainsi.

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Guenhwyvar a dit :

@Nabla : Bah en fait, ce que je comprends (difficilement), c'est que tu dis que la vitesse de la lumière change pas, pas pourquoi on peut pas aller plus vite.

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Le Hollandais Volant a dit :

@Guenhwyvar : en fait moi non plus je ne comprend pas totalement la limite de la vitesse de la lumière.
Je comprend pourquoi une vitesse plus grande pose problème dans les modèles mathématiques (transformations de Lorentz), mais physiquement je ne vois non plus.

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gwlegion a dit :

Tout les problemes liés a la vitesse de la lumiere sont encores aujourd'hui test incompris ...

La premiere chose a comprendre c'est que la lumiere est a la fois une onde et une particule ... Et personne ne comprends ni pourquoi, ni comment ...

Pour ce qui est du pourquoi du comment de la limite de la vitesse lumiere , si j'ai bien compris ce que j'ai lu, cela decoule d'un rapport entre la masse, la vitesse et l'energie necessaire pour accelerer encore plus.

Donc si ta vitesse actuelle tends vers la vitesse de la lumiere, l'energie necessaire pour accelerer encore plus tends vers l'infini ...

C'est pour cela que seules des particules de masse nulle ou quasi nulles peuvent s'approcher de la vitesse de la lumiere.

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Fadrau a dit :
Belle explication, je me suis toujours posée cette question et mon intuition était la bonne.

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