Dans l'immensité de l'atmosphère terrestre, la lumière offre un spectacle fascinant, souvent perceptible à l'œil nu. Ces phénomènes lumineux, appelés photométéores, du grec « photo » (lumière) et « meteora » (qui est en l'air), englobent des manifestations variées. Parmi les photométéores les plus connus, on retrouve l'arc-en-ciel et la gloire, résultant de l'interaction de la lumière avec les gouttelettes d'eau. Mais les cristaux de glace sont également capables de produire des photométéores spécifiques, connus sous le nom de halos atmosphériques. Le terme « halo », étymologiquement lié à l'idée d'une auréole, désigne ici un cercle lumineux entourant le Soleil, la Lune ou toute autre source de lumière. De manière plus générale, un halo atmosphérique se manifeste comme une accumulation de lumière, visible dans le ciel sous forme de tache, de cercle ou d'arc, principalement due à la réfraction et/ou à la réflexion de la lumière par les cristaux de glace.
Il existe une grande diversité de halos, certains étant fréquemment observés, tandis que d'autres sont beaucoup plus rares, voire théoriquement prédits. Les premières observations de halos remontent à l'Antiquité, mais c'est à partir du XVIIe siècle qu'une approche scientifique s'est développée grâce aux travaux d'optique de Descartes et de Huygens. Les XVIIIe et XIXe siècles ont connu une accélération des connaissances grâce à des observations plus nombreuses et précises, ainsi qu'aux études détaillées de physiciens tels qu'Arago, Babinet, Bravais, Mariotte, Venturi et Young.
Les bases de la formation des halos
Pour comprendre la formation des halos, il est essentiel de connaître certaines propriétés de la glace et les différentes formes de cristaux de glace présents dans l'atmosphère.
Propriétés essentielles de la glace
La glace, sous ses diverses formes cristallines, est le principal acteur dans la formation des halos atmosphériques. La manière dont la lumière interagit avec ces cristaux détermine l'apparence et les caractéristiques des halos observés.
Formes des cristaux de glace
Malgré leur grande variété, quatre types de cristaux suffisent à expliquer la majorité des halos atmosphériques (Figure 1) : la colonne et la plaquette hexagonales, la colonne coiffée d’une plaquette et la forme dite en balle de fusil (une colonne chapeautée par une pyramide).
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Orientation des cristaux
Dans l’atmosphère, les plus petits cristaux, de taille inférieure à quelque 50 microns, ont un mouvement brownien (ou aléatoire) et n’ont donc pas d’orientation préférentielle. Entre 50 et 500 micromètres, la pesanteur et le frottement aérodynamique dominent et l’orientation qui offre le moins de résistance à l’air est généralement favorisée. Au-delà, les gros cristaux tournoient autour d’un axe horizontal. Ces comportements, combinés aux réflexions spéculaires et aux réfractions par les faces cristallines, expliquent la diversité des halos.
Indice de réfraction de la glace
Par ailleurs, la glace présente deux indices de réfraction, l’un selon l’axe a et l’autre selon l’axe c, qui sont très proches et décroissent faiblement du violet au rouge ; leur valeur moyenne peut être prise à environ 1,31. Cette variation explique pourquoi les halos formés par réfraction sont, en principe, irisés.
Classification des halos
Bien qu’ils soient nombreux et d’aspects variés, on peut classer les halos de plusieurs manières : fréquence d’observation, forme, nombre de réfractions et de réflexions (internes ou externes), degré d’orientation des cristaux ou, ce qui revient au même, leur taille.
Halos communs
Parmi les halos les plus fréquemment observés, on retrouve le halo à 22° et le halo à 46°.
Halo à 22°
C’est le plus commun. Il s’agit d’un anneau, centré sur le Soleil, de rayon angulaire très proche de 22° et de largeur angulaire d’environ 1 à 2°. Son bord intérieur est très net, parfois rougeâtre, alors que sa partie extérieure est moins franche et parfois teintée de bleu tirant vers le blanc. On explique toutes ces propriétés par la déviation de la lumière par les faces latérales alternées d’un cristal hexagonal qui constituent un prisme d’angle au sommet 60° (Figure 2a). Cette déviation atteint un minimum absolu d’environ 22° où s’accumule la lumière.
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Halo à 46°
Similaire au précédent, ce halo plus large est toutefois moins fréquent et plus difficilement observable, d’une part parce que la lumière est redistribuée sur une portion plus grande du ciel et, d’autre part, en raison de rapports hauteur/largeur des cristaux peu favorables. Ce halo implique des faces adjacentes orthogonales qui forment un prisme d’angle droit (Figure 2b) ; le minimum de déviation correspondant à un tel prisme vaut 46°.
Halos inhabituels
D’autres halos, plus rares, mettent en jeu des prismes d’angles différents. Théoriquement, toutes les valeurs comprises entre 0 et 99,5° sont possibles, d’où des halos de rayon angulaire entre 0 et 80°. En pratique, des halos entre 4 et 50° ont été observés : les halos de Van Buijsen (8°), Heiden (14°), Hall (17°), Dutheil (24°), Scheiner (28°), Feuillée (32°) et Burney (45°). Ces halos inhabituels sont issus de prismes formés par des cristaux de forme plus complexes : la pyramide (Figure 1) peut expliquer certains des angles cités ci-dessus ; pour le halo de Scheiner, il s’agirait d’un cristal très rare de géométrie octaédrique.
Parhélies
Un parhélie, ou faux soleil, est une tache lumineuse située à la même hauteur que le Soleil et à une certaine distance angulaire de celui-ci. Le plus commun est voisin du halo à 22°. On peut le voir qui accompagne ce dernier sur l’image de couverture, où deux taches lumineuses brillantes sont disposées symétriquement de chaque côté du Soleil. Sa formation implique le prisme à 60° mais dont l’arête est, cette fois, orientée verticalement, comme l’axe sénaire. Cette orientation est déterminante car les rayons lumineux incidents sont alors obliques par rapport à la section principale horizontale du cristal, ce qui, après traversée de celui-ci, concentre la lumière à une distance azimutale supérieure à 22° (lois de Bravais). Voila pourquoi le parhélie s’étale horizontalement en fuyant le Soleil (Figure 3) ; ce n’est que lorsque ce dernier est bas sur l’horizon que les parhélies sont collés au halo à 22°.
Certains parhélies, plus rares, se situent à une distance azimutale du Soleil supérieure à 90° en valeur absolue. Les exemples les plus connus sont à ± 120° ; ces derniers parhélies ne sont pas colorés. Ils sont produits par un nombre pair de réflexions internes sur les faces verticales des cristaux et par réfraction sur des faces parallèles (Figure 5). Un parhélie entre 150 et 160° a été découvert en 1951 par le météorologue suédois Liljequist en Antarctique. On les appelle parfois des paranthélies car ils flanquent le point qui fait face au Soleil (angle azimutal 180°) appelé l’anthélie (« anti » veut dire « opposé »).
La ligne horizontale sur laquelle sont disposés les parhélies et la source lumineuse est appelée almicantarat ; ce dernier est matérialisé, totalement ou partiellement, par un cercle lumineux blanc dit cercle parhélique si la lumière se réfléchit sur des faces verticales sans orientation azimutale privilégiée.
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Colonnes lumineuses ou piliers
Ces bandes verticales étroites apparaissent quand le Soleil est juste au-dessus de l’horizon. De couleur identique à la source, elles se forment par des réflexions à incidence rasante sur la face inférieure des cristaux d’axe sénaire légèrement incliné par rapport à la verticale. Avec des cristaux parfaitement orientés, le pilier est fin et brillant ; tout écart à l’alignement vertical élargit le pilier et réduit sa luminosité.
Arcs circumzénithal et circumhorizontal
Ces arcs complémentaires sont éclatants et irisés du rouge au bleu en progressant vers le zénith ou l’horizon, respectivement. Ils sont formés par des cristaux dont l’axe c est vertical et l’arête du prisme d’angle au sommet 90⁰ horizontale. Ils peuvent accompagner le halo à 46°. Si la lumière pénètre dans le cristal par la face supérieure et émerge par une face verticale, l’arc est circumzénithal (ou arc de Bravais, Figure 6) ; si elle pénètre par une face verticale et émerge par la face inférieure, l’arc est circumhorizontal (Figure 6). Le premier (Figure 7) entoure en partie le zénith et n’existe que si le Soleil est à une hauteur inférieure à 32°. Au-delà, il y a réflexion totale sur la face latérale verticale interne du cristal. À 32°, le rayon émerge de façon rasante, donc verticalement, et l’arc circumzénithal apparaît alors sous forme d’un point brillant au zénith. L’arc est le plus brillant si le Soleil est à 22° de hauteur ; il effleure le halo à 46° si celui-ci est présent.
En regard de l’arc circumzénithal, on voit parfois un arc qui complète le cercle centré sur le zénith : l’arc de Kern.
Arcs de Parry
Ces arcs sont formés par des cristaux d’axe c horizontal avec des paires de faces opposées, elles aussi horizontales. Ils sont placés au-dessus et au dessous du halo à 22⁰, leur concavité tournée vers le halo ; ils vont par paires, mais apparaissent confondus.
Sous-soleil
Depuis un avion, on voit parfois sous l’horizon, symétrique au Soleil, une tache lumineuse elliptique ; c’est un sous-soleil.
Halos produits par de gros cristaux
En tournoyant, les gros cristaux forment des halos rares et complexes dont l’apparence dépend fortement de l’altitude du Soleil. Il s’agit d’arcs, latéraux et tangents au halo à 22° pour certains et à celui à 46° pour d’autres.
Halo circonscrit au halo de 22°
Il se manifeste, quand le Soleil est proche de l’horizon, sous la forme de deux arcs tangents au halo à 22° en ses points supérieur et inférieur. Ces deux arcs s’allongent en se rapprochant l’un de l’autre lorsque le Soleil monte dans le ciel ; ils circonscrivent le halo à 22° quand le Soleil atteint 30° de hauteur.
Arcs latéraux de Lowitz
Ils sont trois et passent par le parhélie à 22° : l’arc supralatéral et l’arc infralatéral sont respectivement au-dessus et en dessous du Soleil ; l’arc mésolatéral est vertical traversant le parhélie. C’est le chimiste germano-russe Tobias Lowitz qui les observa le premier à Saint-Pétersbourg en 1790.
Arcs tangents et latéraux du halo à 46°
Cette fois ce sont les prismes de 90° qui sont impliqués.
Complexité des halos et défis de l'explication
Jusqu’à présent, nous avons considéré des cristaux de géométrie régulière avec des faces supposées assez lisses, éclairées par une source ponctuelle, et nous avons utilisé les lois bien connues de l’optique géométrique. Si la réalité était aussi simple, on observerait davantage de halos. La densité des cristaux est aussi importante : le trajet de la lumière peut être modifié par plusieurs cristaux successivement ; c’est la diffusion multiple, qui est responsable, par exemple, des parhélies à +/- 44° (un rayon lumineux dévié deux fois à ± 22° par deux cristaux). Par ailleurs, la source lumineuse (Soleil, Lune) est large ; chacun de ses points donne son propre système de halos. Ces derniers se superposent et le halo résultant apparaît alors plus large, moins net et aux couleurs délavées. Enfin, la diffraction, importante pour les petits cristaux, tend aussi à élargir les halos et à ternir leur irisation.
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