Le mot « mirage » provient du verbe « se mirer », c’est-à-dire être réfléchi. Pourtant, cette étymologie ne reflète pas la réalité. Bien que l’image d’un mirage semble être celle d’un miroir, la réflexion n’en n'est pas l'unique cause.
Il existe 3 types de mirages:
Les mirages inférieurs:
Ces mirages se produisent dans les régions chaudes comme les déserts. Il en résulte une apparition de l’image inversée vers le bas d’un objet. En effet, on a parfois l'impression de voir une flaque d'eau sur le sol alors qu'il s'agit en réalité des rayons provenant du ciel.
Les mirages supérieurs:
A l’inverse du mirage inférieur, ils ont lieu dans les régions froides comme les banquises. Il en résulte une apparition de l’image inversée vers le haut d’un objet.
Les Fata Morgana:
Ils sont en réalité un mélange entre mirages inférieurs et mirages supérieurs. En effet, ils sont le résultat d’une superposition de couches d’air chaud et d’air froid. La création de Fata Morgana est généralement due à la présence d'îles, où la température change moins vite que sur l'eau.
Afin d’expliciter ces phénomènes, nous allons traiter le sujet de la réfraction à travers les mirages.
L’air est constitué de différentes couches d’air, appelées micro-strates. Elles se différencient par leur composition :
-La densité
-La température
-La pression
Ici, c’est la température qui intervient dans ce phénomène. Elle a pour conséquence de dévier les rayons lumineux provenant du soleil. C’est le phénomène de réfraction.
La réfraction est un phénomène qui dévie les rayons lumineux quand ils passent d’un milieu à un autre, aux autres propriétés. La déviation d’un rayon lumineux s’effectue au point d’incidence. Le rayon lumineux initial, rayon incident, change sa trajectoire une fois le point d’incidence franchi : ce rayon s’appellera le rayon réfracté. Ceci est du à la différence entre l’indice de réfraction n des deux milieux.
Il existe une relation qui permet de trouver l’indice de réfraction d’un milieu et donc la direction des rayons : La loi de Snell – Descartes : n1 x Sin (i1) = n2 x Sin (i2).
Si n1 < n2 alors i2 < i1 et si n1 > n2 alors i2 > i1.
En conclusion, quand un rayon pénètre dans un milieu moins dense, le rayon réfracté s’éloigne de la normale. Lorsque ce rayon forme un angle de 90° par rapport à la normale, l’angle limite d’incidence est atteint. Quand l’angle d’incidence est supérieur à l’angle limite, on a une réflexion totale. Ce phénomène de réflexion totale n’est possible que lorsqu’on passe d’un milieu plus dense à un milieu moins dense.
Nous allons à présent mettre en relation l’aspect théorique de la réfraction avec le phénomène de mirage.
Comme nous l’avons dit précédemment, les mirages sont provoqués par la différence de densité des micro-strates. Or, dans l’atmosphère, la densité de l’air dépend de la température et de la pression. En effet, lorsque la température augmente, la densité et l’indice de réfraction diminuent et inversement quand la température diminue, la densité et l'indice augmentent. Il peut y avoir une différence de plus de 10°C entre le sol et à 1m du sol. Ainsi lorsque les rayons lumineux pénètrent dans les différentes couches d’air, ceux-ci changent de trajectoire, ce qui explique le phénomène de mirage.
Voici un exemple de réfraction dans le cas d'un mirage inférieur :
Dans cette situation, on peut utiliser le terme « gradient » qui désigne le taux de variation d’un élément météorologique en fonction de la distance. Ici, le gradient d'indice augmente de bas en haut. Dans le cas des mirages, il est toujours orienté des couches d'air les plus chaudes vers les couches les plus froides. La couche n2 étant plus dense que la couche n3, l'angle x1 sera inférieur à y1. Le rayon sera dévié à maintes reprises comme sur le schéma avant d'atteindre un angle limite provoquant une réflexion totale.
D'ailleurs, nous avons réalisé une expérience permettant de visualiser la trajectoire d'un laser dans le cas d'un mirage supérieur :
Nous désirions voir les conséquences de la réfraction sur un rayon lumineux. Pour ce faire, dans une cuve transparente, nous avons versé un solvant, l'eau, auquel nous avons ajouté un soluté, le gros sel. Contrairement à l'exemple précédent, la densité du milieu devait être plus importante du haut vers le bas. La solubilité du sel est égal à 0,1 mol/l. Nous en avons introduit en grande quantité pour que ce soluté soit présent en excès dans la solution. Seule une petite partie de sel s'est dissoute tandis que l'autre s'est déposée au fond de la cuve. Ensuite, nous avons attendu une semaine. Le sel s'est diffusé progressivement dans le milieu entraînant un gradient d'indice, dirigé vers le bas, plus important. Afin de rendre visible le rayon lumineux, nous avons saupoudré la cuve de poussière de craie. Ce gradient d'indice a modifié la trajectoire du laser comme prévu.
Nous pouvons maintenant expliquer davantage les mirages présentés précédemment :
Les mirages inférieurs représentant l’image inversée vers le bas d’un objet, s'expliquent ainsi : Plus l'on s'éloigne du sol, plus la température de l'air diminue et donc plus l'indice de réfraction augmente. On a affaire à un gradient d'indice dirigé vers le haut, du sol vers le ciel.
Les mirages supérieurs, représentant l’image inversée vers le haut d’un objet, sont dus à la différence de température entre le sol, qui s'avère être la banquise sur le schéma ci-dessous, et l'air qui le surmonte. Celui-ci se réchauffe en gagnant de l'altitude. Cette situation crée un gradient d'indice dirigé vers le bas. Les couches d'air au sol étant plus froides et plus denses, l'indice de réfraction sera plus élevé. Les rayons lumineux se courbent donc vers le bas.
Les Fata Morgana : Pour que ce phénomène soit visible, il faut obligatoirement que les couches d'air chaud et d'air froid se superposent, créant une accumulation de mirages supérieurs et inférieurs. Dans ces cas très particuliers l'image d'un point devient un segment vertical, ce qui déforme et amplifie le réel pour créer l'illusion de paysages fantastiques.
L'interprétation du cerveau:
Le cerveau interprète les informations transmises par notre œil. L'image d'un objet se forme sur la rétine qui joue un rôle d'écran. Elle est munie de photorécepteurs (bâtonnets, cônes) absorbant les différentes longueurs d'ondes. Les informations issues des photorécepteurs sont transmises par l'intermédiaire de chaînes de neurones, formant les nerfs optiques, au cortex visuel du
cerveau. Le cortex visuel de chaque hémisphère cérébral reçoit à la fois des informations provenant de l’œil droit et de l’œil gauche. Il en résulte une vision binoculaire parfaite permettant de reconnaître des formes, déterminer les distances, les reliefs etc...
Le cerveau assimile des signaux avec des images déjà mémorisées. C'est la constance perceptuelle qui consiste en la reconnaissance des formes, des objets malgré les variations (position, environnement, grandeur, orientation...). Mais les mirages n'ont aucun impact sur notre constance perceptuelle même s'il arrive parfois qu'il y ait une différence entre l'information transmise par l’œil et l'interprétation qu'en fait le cerveau.
Les rayons lumineux étant déviés par de multiples milieux hétérogènes, parviennent à notre œil. En temps normal, notre vision rectiligne nous permet d'apercevoir un paysage devant nous mais la trajectoire parabolique des rayons donne lieu à l’apparition d'un paysage en plongée (mirage inférieur) ou en contre plongée (mirage supérieur). C'est à dire que nous allons apercevoir un paysage, similaire à celui de l'horizon, sur le sol ou dans les airs.
Afin de visualiser ce phénomène nous avons réalisé une expérience simulant un mirage inférieur :
Pour réaliser cette expérience, nous devions mélanger deux liquides miscibles de densités différentes afin de créer un milieu hétérogène. De ce fait, nous avons versé de l'eau et de l'éthanol dans un bac transparent et placé un ballon de baudruche derrière ce bac. L'eau, ayant une densité supérieure à celle de l'éthanol, le milieu devient alors non homogène créant ainsi un gradient d'indice dirigé vers le haut. On assistera à l'apparition d'un mirage inférieur.
En définitive, les mirages sont des phénomènes naturels physiques à part entière car ils peuvent être photographiés. Néanmoins, les images déformées qui en résultent peuvent être mal interprétées et provoquer dans ce cas une illusion d'optique. Par conséquent, nous pouvons qualifier ce phénomène de « déformation optique ».