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un mirage sur une route chaude
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, comme sur la photo ci-dessus.

Le truc étonnant avec cet effet, est que si on s’approche de la flaque d’eau, elle disparaît et la route est totalement sèche. Ceci n’est pas une illusion inventée par le cerveau ni un effet paranormal. Il s’agit d’un phénomène physique bien connu : un mirage.
Dans le cas présent, le mirage est en bas : on parle alors d’un mirage inférieur. Si le mirage est en haut, dans le ciel, on parle d’un mirage supérieur.

L’existence d’un mirage s’explique relativement simplement : on voit des choses là où elles ne sont pas. Ceci vient, tout simplement, du fait que les rayons lumineux sont courbés, réfléchis, ou en tout cas déviés.

C’est la même chose qu’avec un miroir : quand on se regarde dans une glace, on voit notre visage. Pourtant, notre visage n’est pas dans le miroir, il est devant. C’est juste son image, son reflet, que l’on voit. Un miroir dévie la lumière, et on voit donc des choses sur le miroir qui ne sont pas physiquement sur le miroir.

Le mirage sur les routes, c’est un peu pareil, sauf que la route n’est pas recouverte de miroirs. En revanche, la route est chaude : très chaude. La surface du bitume peut monter à 70-80 °C ! Naturellement, l’air présent juste au dessus, chauffe également beaucoup. Plus on monte, plus la température chute, pour se retrouver à la température ambiante à hauteur humaine. On parle alors d’un fort gradient de température (variation importante sur une faible distance).

Ce gradient de température induit tout aussi brutalement un gradient dans l’indice de réfraction optique de l’air : l’indice de réfraction de l’air — très chaud — proche de la route est bien plus faible que celui de l’air « normal » (l'indice lui-même traduit tout simplement le ralentissement subit par la lumière dans un milieu : or la lumière ralentit moins dans l'air chaud (indice faible) que dans l'air froid, où elle est davantage ralentie (indice plus élevé) ; ce ralentissement est comparé par rapport à la vitesse de la lumière dans le vide, dont l'indice est exactement 1).

Or, quand la lumière passe d’un milieu d’indice A à un milieu d’indice B, alors les rayons sont déviés (ci-dessous à gauche). Sur la route, l’indice de réfraction de l’air change de façon progressive : en conséquence, la lumière est déviée graduellement, non pas avec un angle, donc, mais avec une courbure lisse et continue (ci-dessous à droite) :

refraction de la lumiere
Maintenant, il faut comprendre que c’est la lumière qui transporte l’image que l’on perçoit avec nos yeux.

Si la route est froide, la lumière est absorbée par la route puis réémise en fonction de la couleur de la route (du gris, du blanc pour les bandes blanches, etc.) : la lumière que l’on voit provient donc directement de la route : on voit donc la route (ci-dessous à gauche).

Si les rayons sont déviés, ils ne sont jamais absorbés par le goudron. L’image qu’ils véhiculent est donc celle d’où les rayons viennent : le ciel (ci dessous à droite) :

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.

Maintenant une question se pose : pourquoi voit-on seulement le mirage au loin, et pas quand on s’en approche ?

En fait, sur mon dessin, la courbure est très forte et le rayon de courbure assez faible. Dans la réalité, le rayon de courbure est bien plus grand : il faut bien 50 mètres pour que la lumière se courbe pour devenir horizontale, et de nouveau 50 mètres pour revenir à hauteur des yeux. On voit rarement ce genre de mirage à ses pieds, mais plutôt quelques dizaines ou une centaine de mètres vers l’avant.

Si l’on regarde à ses pieds, on verra juste la route : la lumière arrive avec un angle trop fort pour qu’il soit dévié et il finit par être absorbé puis réémis avec l’image de la route. Seuls les rayons au loin ont assez de chemin pour se courber doucement sans être absorbés.

Pour conclure, si l’effet ressemble à un effet de « flaque d’eau », c’est simplement que l’eau sur la route réfléchit aussi la lumière. Dans les deux cas, on observe donc le ciel directement sur la route. Sauf que dans le cas du mirage la lumière est courbée, et dans le cas de l’eau elle est réfléchie. Dans les deux cas, on voit bien le ciel.

Enfin, sachez que le gradient de température de l’air provoque non seulement une distorsion de la trajectoire de la lumière… mais aussi du son !

Il est ainsi possible d’entendre le bruit d’une explosion à des milliers de kilomètres que l’on n’entend absolument pas à seulement 100 km ! Dans ce cas, le son monte, passe au dessus de vous, puis redescend 1 000 km plus loin, toujours à cause des variations de température (et de densité) de l’air.

Ce phénomène porte le nom de mirage acoustique.

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de mettre à jour et de le déplacer ici)

image d’en-tête de Michael

4 commentaires

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JohnDoe wrote:

Salut,

Pour aller plus loin Feynman en a donné une très belle explication (je trouve), notamment d'un point de vue quantique, dans son petit et non moins passionant opuscule: 'Lumière et matière'.

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seb wrote:

Je pensais que ça venait du faite que la route n'était pas bien plane ce qui fait que quand je vois ça je n'ose jamais doubler de peur que ça ne cache une voiture en face. D'après la photo, et l'explication, mes craintes ne sont pas fondées, les voitures "flottent" sur les "flaques d'eau". :)

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Nelson wrote:

Tout simplement merci !

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Le Hollandais Volant wrote:

@JohnDoe : salut, sur ton conseil je me le suis procuré et je le lis là.

Son explication est rudement proche de la mienne (les schémas sont presques identique).
Il est vrai par contre que je laisse de côté le point de vu quantique (à sera pour un autre article :p).

Par contre j'ai eu un peu de mal à comprendre son histoire de flèches avec les chronomètres imaginaire, jusqu'à voir que chaque flèche n'était que l'arcsinus de l'angle correspondant à la portion de longueurs d'onde présente entre la source et le photodétecteur (je me comprends).


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