Phénomènes lumineux éphémères

Le feu de Saint-Elme est un phénomène physique, ne se produisant que dans certaines conditions météorologiques, qui se manifeste par des lueurs apparaissant surtout aux extrémités des mâts des navires certains soirs. Ce phénomène se crée parfois aussi en altitude, au-dessous des cumulo-nimbus. Dans ce cas, on parlera de farfadets.



Principe
Le feu de Saint-Elme est une manifestation de l'effet de couronne, qui se produit lorsque le champ électrique à proximité d'un conducteur est assez fort pour provoquer une décharge dans l'air ambiant et ainsi stimuler les molécules d'air qui émettent alors une lumière caractéristique. En effet, grâce au pouvoir des pointes, qui entraine une augmentation considérable du champ électrique au voisinage d'une pointe, en présence d'un champ électrique important comme celui qui accompagne un orage, l'air est ionisé sur des distances faibles devant la distance séparant les différentes saillies, et la recombinaison des électrons avec les ions s'accompagne de l'émission de lumière, qui est le feu de Saint-Elme proprement dit. Pour que le phénomène se produise, le champ électrique doit être suffisamment fort pour accélérer les électrons à une vitesse minimum avant que ceux-ci n'entrent en collision avec les autres molécules, sinon celles-ci ne peuvent être ionisées.


Origine
Ce phénomène tirerait son nom de saint Elme ou Érasme de Formia, patron des marins, qui aurait continué à pêcher après que la foudre eut frappé le sol près de lui ; il fut ensuite prié par les marins qui craignaient les orages en mer ; un feu de Saint-Elme est alors vu comme un signe de protection du Saint.

Les phénomènes lumineux éphémères (TLE, pour transient luminous events) sont des flashs lumineux visibles en haute atmosphère accompagnant les orages. Ils ont été découverts récemment, au début des années 1990[1].

Ces phénomènes sont encore peu connus, de même que leur dangerosité pour les aéronefs, notamment les engins spatiaux. Une hypothèse veut que la navette Columbia ait été prise dans un de ces flash, hypothèse réfutée par la NASA[2].

Farfadets

Farfadets lors d'un orage, observés par la NASA. On distingue clairement leur groupement.Les sprites, également dénommés sylphes rouges et farfadets, apparaissent par groupes de deux ou trois, lors d'éclairs puissants, dans la mésosphère (haute atmosphère). Leur faible durée (environ 5 millisecondes) et leur altitude les rendent difficiles à observer du sol, ce qui explique leur récente découverte. Ils ont une forme d'entonnoir de 1 à 50 kilomètres de large[1], se forment vers 95 kilomètres d'altitude pour descendre vers les 40 kilomètres d'altitude[1].

Ces lueurs semblent provoquées par des perturbations ionisantes provoquées par les éclairs. L'atmosphère réagit alors comme un néon, et devient lumineuse, d'une couleur entre le rouge (au sommet) et le bleu (à la base). Cette couleur provient de l'azote de l'air, qui émet des rayons de longueur d'onde différents suivant la pression (qui diminue avec l'altitude).


Elfes
Les Elfes, ou halos, prennent la forme de disques lumineux (ou d'anneaux, selon les observateurs), et apparaissent lors d'éclairs puissants, à la base de l’ionosphère (à des altitudes de l’ordre de la centaine de kilomètres) [1]. Leur faible durée (environ 5 millisecondes) et leur altitude les rendent difficiles à observer du sol, ce qui explique leur récente découverte.

Ces disques semblent provoqués par des impulsions électromagnétiques qui se propagent dans toutes les directions, formant une sphère. Lorsque cette sphère atteint une altitude d'environ 100 kilomètres, les particules de gaz s'illuminent. La forme de disque observée est due au plan d'intersection entre cette sphère et cette couche de l'atmosphère.


Jets bleus
Les jets bleus sont des lueurs bleues montant des nuages orageux vers la stratosphère.


Les études scientifiques
Les premières observations par microcaméras de sprites et d'éclairs depuis l'espace au nadir ont été effectuées depuis la Station Spatiale Internationale au cours de l'expérience LSO (Lightning and Sprites Obsevations).

Le projet de microsatellite Taranis (Tool for the Analysis of RAdiation from lightNIng and Sprites) propose l'étude du couplage atmosphère-ionosphère-magnétosphère lors des orages atmosphériques.

Au-dessus des nuages des orages, de gigantesques jets de lumière s’élèvent jusqu’à l’ionosphère parfois. Ces jets de lumière s'appellent des T.L.E. Ils sont difficilement visibles à l’œil nu. Mais certains astronautes de la Station Spatiale Internationale ont pu les apercevoir, quand ils se trouvaient juste au-dessus d'un violent orage et au bon moment comme ces phénomènes durent moins d’une seconde.




- Les Farfadets ou Sprites :

Ce sont des flashs lumineux qui se produisent dans la mésosphère, au-dessus des cumulonimbus soit de 20 kilomètres jusqu'à 96 kilomètres d'altitude sur une largeur de 15 kilomètres. C'est quand le champ électrique est suffisamment puissant et que l'air suffisamment ténu, alors les électrons vont accélérer et atteindre la vitesse nécessaire pour transporter leur énergie cinétique dans les molécules qu'ils rencontrent, se qui les excite et libère cette énergie sous forme de lumière appelé les farfadets. Ils se produisent seulement au-dessus des orages actifs et ils sont la plupart du temps associés à des éclairs positifs soit quand les éclairs descendent vers la terre. Ils sont principalement rouges et ils ne durent habituellement pas plus de quelques millisecondes. Les premières images d'un farfadet ont été obtenues par hasard en 1989. Pour les voir il avoir accès à la vue du dessus de l'orage, dégagé par les nuages intervenants, et une vue sur un fond stellaire foncé. En raison de leur faible luminosité, les farfadets ne peuvent pas être vu en présence de lumières, comme on trouve dans les villes. La meilleure distance pour les voir est d'être à 200 - 300 kilomètre de l'orage. À cette distance les farfadets sont à une distance angulaire verticale de 10-20°.


- Les Elfes :

Juste après les farfadets il peut apparaître les elfes, et leur durée est plus éphémère, moins qu'un millième de second. Ils se produisent au-dessus des nuages de polarité positive ou négative lors de la foudre. L'origine des elfes sont les puissants éclairs qui libèrent des impulsions électromagnétiques qui se propagent très vite, à partir de l'éclair. Ils peuvent se propager sur 400 km de diamètre. Quand la zone supérieure de cette "sphère" atteint une altitude d'environs 75 à 100 kilomètres, les électrons vont être accéléré par un champ électrique véhiculé par ces impulsions. Les molécules de gaz vont alors être frappées et excitées par les électrons de telle sorte qu'elles vont dégager le sur plus d'énergie en lumière sous la forme d'un anneau. Ceci se produit d'une façon si rapide que cet anneau sera vu comme un disque aplati. Ils ont été découverts en 1994




- Les jets bleus

Ces phénomènes appelés "Blues Jets" en anglais ont été observés pour la première fois en 1994. Ce sont des jets coniques de lumière bleue qui se propagent du sommet des nuages électriquement actives de noyau des orages, vers la haute atmosphère à une vitesse d'environ 120 km/s et ne dépasseraient pas les 40 kilomètres d'altitude. Mais ils ne sont pas directement liés aux éclairs du nuage-à-terre.



- Les Trolls

Les Trolls, récemment observé, ressemblent aux jets bleus, mais ils sont rouges et semblent se produire après que les tendrils des farfadets se prolongent en bas vers le dessus du nuage.



- Des émissions d'ondes radios, de rayons X et gamma

Des éclats de rayon gamma et X de courte durée (environ 1 milliseconde) ont été détectés par le satellite Compton qui observé les rayons gammas de l'espace. Ces rayons se produisent au-dessus des régions orageuses, et leurs sources sont censées se trouver aux altitudes de plus de 30 kilomètres. Quand les farfadets sont produits par une avalanche d’électrons relativistes déclenchée par le rayonnement cosmique, ce faisceau d’électrons pourrait interagir avec les molécules d’air et produire un rayonnement_X et gamma secondaire. Les farfadets demandent une énergie d'environ 20 électronvolts. Mais les rayons gammas en demandent plus d'un million d'électronvolts.

Les coups de foudres violents émettent des ondes radios jusque dans les ceintures de Van Allen qui se situe dans la magnétosphère qui est qu'une extension du champ magnétique terrestre qui atteint les couches extérieures de l'atmosphère. Les électrons énergiques, voyageant à environs la vitesse de la lumière, entre les deux zones en forme d'anneau, séparées par un espace connu sous le nom de la région de la fente de la ceinture de Van Allen, constitué d'une turbulence. Cette espace est le lieu où se crée les aurores boréale. et qui pourait être un endroit plus sûr pour les orbites des satellites.

Lors des éruptions solaires les particules émises se décomposent instantanément et coulent autour de la la région de la fente de la ceinture de Van Allen.


La ceinture de Van Allen supèrieur et infèrieur et entre la région de la fente de la ceinture de Van Allen

Rayon vert

Le rayon vert est un phénomène optique rare qui peut être parfois observé juste après le coucher du Soleil ou juste avant son lever et qui prend la forme d'un point vert visible pendant un court moment juste au-dessus du Soleil. Son observation est généralement brève (quelques secondes). Pourtant, des navigateurs ont rapporté avoir observé le rayon vert durant 35 minutes. Selon une légende écossaise, le rayon confère à ceux dont il a frappé les yeux le pouvoir de lire clair dans les sentiments et les cœurs.



Rayon Vert observé le 15 octobre 2005 à l'Observatoire de La Silla (ESO)



Rayon Vert observé le 15 janvier 2006 à l'Observatoire de La Silla (ESO)

Rayon vert observé à San Francisco le 17 septembre 2006.Observation
Le rayon vert est souvent tenu pour un phénomène mythique, ou une illusion d'optique expliquée par la persistance rétinienne. Le phénomène existe pourtant bel et bien, c’est un phénomène atmosphérique qui peut se produire au lever, ou au coucher du soleil. Au moment de son apparition ou de sa disparition, le soleil peut sembler vert à son sommet ou même diffuser un flash vert. Il est parfaitement possible de fixer le phénomène sur une photographie, indiquant ainsi qu'il ne s'agit pas d'une illusion.

Pour observer le rayon vert, le ciel doit être clair et dégagé du maximum de poussières ou de particules. La présence d’un anticyclone facilite également l’observation du phénomène grâce à une haute pression (donc une densité d’air plus importante). Enfin la ligne d’horizon doit être lointaine pour que les rayons solaires traversent une distance d'atmosphère la plus grande possible avant d’atteindre l’observateur. Pour toutes ces raisons, le rayon vert s'observe au mieux à basse altitude, là où l'horizon est dégagé, par exemple devant un océan.

Explication du phénomène

L’atmosphère : un milieu hétérogène

L'atmosphère est formée de couches d'air de températures et de pressions différentes. En effet, la température diffère d’un endroit à l’autre suivant la latitude, les vents, les reliefs, le type de sol... De par le nombre de paramètres en jeu, les variations locales de température sont quasiment imprévisibles. Si la température change, le volume occupé par un gaz change également, et par conséquent sa pression. De plus, la pression de l’air diminue quand l’altitude augmente. Elle est donc plus faible à la montagne qu’au niveau de la mer. L’atmosphère doit ainsi être considérée comme un milieu hétérogène.

La trajectoire de la lumière

La loi de Descartes sur la réfraction s'applique dans un milieu hétérogène comme dans un milieu homogène. Dans un milieu hétérogène au lieu d'avoir une unique interface, on a une infinité d'interfaces où le phénomène de réfraction se produit entre des milieux homogènes de dimension infinitésimale. La trajectoire des rayons lumineux dans un milieu hétérogène, tel l’atmosphère, n'est par conséquent pas rectiligne mais curviligne et inclinée vers le sol. Ceci peut être comparé à la trajectoire d'un rayon d’un laser dans une cuve d’eau salée où l’on aurait rajouté de l’eau distillée. La réfraction des rayons lumineux implique donc qu'un observateur terrestre ne voit pas le soleil à sa position réelle.


La réfraction et le chromatisme

Le chromatisme d'un milieu correspond à la variation de l'indice optique du milieu en fonction de la longueur d'onde de la lumière. La loi de réfraction de Descartes faisant intervenir l'indice optique des milieux, la réfraction s'appliquera donc de façon différente en fonction de la longueur d'onde. On observe donc une variation de la déviation des rayons lumineux due au chromatisme (ce phénomène est à l'origine de la dispersion de la lumière blanche par un prisme (optique) produisant les rayonnements de l'arc-en-ciel).

La réfraction dans l'atmosphère est affectée par le chromatisme de l'atmosphère. En fonction de sa longueur d’onde, la déviation d’un rayon lumineux est différente. Un rayon bleu est dévié différemment d’un rayon rouge.

Cette loi conduit à ce phénomène :



La diffusion

Le schéma précédent est toutefois théorique. En effet les couleurs d’un coucher de soleil vont du rouge au jaune, et même jusqu’au vert (lors du rayon vert). Un autre phénomène, dû aux propriétés ondulatoires de la lumière, explique l’absence du violet et du bleu. En rencontrant une molécule de dioxygène (ou de diazote) un rayon lumineux ressortira plus ou moins diffusé suivant sa longueur d’onde.

Cette diffusion, dite de Rayleigh, permet au ciel d’être bleu, et empêche l’apparition des couleurs bleu, violette lors du coucher de soleil. La couleur verte (étant moins diffusée que le bleu) est visible. Les couleurs apparentes du coucher de soleil sont donc celles du spectre de lumière visible dans la gamme de couleur allant du rouge au vert.

Autres paramètres

L’absorption a une influence sur le spectre de lumière visible lors du coucher de soleil. Des mirages, peuvent aussi modifier la forme du soleil perçu par un observateur, et accentuer le rayon vert. De plus, le rayon vert peut aussi parfois se décliner sous forme de rayon bleu et parfois même de rayon violet lorsque certaines conditions particulières sont réunies en montagne. Voir les liens externes ci-dessous.

Rayon vert artificiel

Le rayon vert sur le Christ à 11h38 au printemps.Le « rayon vert » peut également désigner un phénomène optique qui se produit aux équinoxes dans la Cathédrale Notre-Dame de Strasbourg qui projette sur la chaire un spot vert. Ce rayon est généré par une pièce d'un vitrail du triforium méridional représentant un ancêtre du Christ dénommé Juda.

http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=6540

Il existe désormais une meilleure connaissance de ces phénomènes lumineux éphémères...

Tableaux récapitulatifs de ces phénomènes, en fonction de leur altitude et de leur apparence:







Vidéos et captures: