Les différents types de mirages
Nous avons donc vu qu’un mirage n’est qu’une réfraction d’un objet bien réel. Il est cependant différencié selon les diverses raisons qui font que le rayon est réfracté.
A) Le mirage chaud ou mirage inférieur
Tout d'abord, le mirage chaud appelé également mirage inférieur. Il ne se produit pas seulement dans les déserts mais aussi sur les routes en été. Ce phénomène s'explique par :
=> la différence de la température du sol qui est chaud et de l'atmosphère qui est plus froid.
Photographie d'un mirage inférieur
La lumière passe du chaud vers le froid
Représentation du chemin d'un rayon lumineux lors du phénomène d’un mirage chaud
B) Le mirage froid ou mirage supérieur
Le mirage froid ou supérieur est simplement le contraire du mirage chaud. On observe alors au-dessus de l'objet son image renversée. Nous savons que la température des couches aériennes s'élève avec la hauteur.
=> La température au niveau du sol est plus basse que celle de l'air ambiant, les rayons lumineux sont courbés vers le bas.
Photographie d'un mirage supérieur
La lumière passe du froid au chaud
Représentation du chemin d'un rayon lumineux lors du phénomène d’un mirage froid
C) Le mirage double ou Fata Morgana
Il arrive que les mirages, chauds et froids (inférieurs et supérieurs), se combinent. Ce phénomène est appelé mirage double ou Fata Morgana. Ce mirage fait apparaître des formes comparables à des falaises, des palais de cristal ou encore des temples.
Photographie d'un mirage double
Le nom de Fata Morgana provient d’une légende datant du XIème ou XIIème siècle. Il a été donné aux apparitions de terres et formes fabuleuses. On utilise également le terme de mirage latéral pour le nommer. Ce mirage est le plus complexe qui soit.
è Il s’agit en fait de couches d’air froid et chaud qui s’empilent sans se mélanger.
Ce type de mirage est favorisé par la présence d’îles car la terre et les roches changent de température beaucoup plus vite que l’eau. On le retrouve également, assez fréquemment, dans le détroit de Messine entre l’Italie et la Sicile, ou encore au Japon et dans les pays nordiques.
Localisation du détroit de Messine
D) Le phénomène de Fata Bromasa
Appelé aussi « brouillard de fée », il est comparable à la Fata Morgana, excepté le fait qu’il est moins marqué que ce dernier. Ce mirage apparaît en général comme une image plate et uniforme avec de fortes variations de lumière.
On obtient ainsi une image floue et très brillante qui nous donne l’impression de l’existence d’un brouillard aux bords lumineux qui plane juste au-dessus de la mer ou d’une surface enneigée.
Photographie d'un Fata Bromosa
E) Le mirage gravitationnel
Nous avons précédemment vu que les rayons de la lumière étaient déviés par des différences de milieu (loi de Snell-Descartes).
Une autre sorte de mirage a été observée par Einstein mais qui ne se produit pas directement sur Terre : les mirages gravitationnels.
=> Dans ce cas, la lumière est déviée par la matière.
La présence d'une grande quantité de matière fait subir un effet "loupe" aux rayons de lumière. Il est nécessaire que la matière soit en grande quantité, c'est pourquoi ce phénomène n'est pas observable sur Terre, mais bien depuis la Terre. En effet, il se produit dans l'espace.
Il est impossible de trouver d'aussi énormes quantités de matière ailleurs que dans l'espace. Ainsi ce sont des corps comme le Soleil ou d'autres galaxies, une étoile ou encore un trou noir, qui dévient la lumière que nous envoient les étoiles quand elles passent à leur proximité.
Un mirage gravitationnel
=> Un astre massif, tel qu'une étoile, un trou noir ou une galaxie, courbe la lumière.
En perturbant la propagation de la lumière, l’image de la source de lumière est alors dédoublée, triplée ou même quintuplée. Le nombre total d'images est déterminé par la forme de la galaxie et la précision de l'alignement avec l’observateur.
=> En plus de multiplier les images de la source de lumière, la galaxie va également concentrer la lumière de celle-ci et donc produire des images bien plus brillantes.
Un effet qui est loin d'être négligeable lorsque l'on observe des corps très peu lumineux.
Représentation du phénomène des mirages gravitationnels
F) L'invisibilité : la science rattrape la magie !
Comme son nom l’indique, l’invisibilité est :
‘’Ce qui ne peut pas être vu.‘’
Ce terme a toujours fasciné. Pour exemple, la cape d'invisibilité d’Harry Potter, héros du roman de J. K. Rowling adapté à l'écran. Dans le film de science-fiction Les 4 Justiciers avec ‘’l’homme invisible‘’, les objets sont rendus invisibles par les pouvoirs de la magie.
Harry Potter et la cape d'invisibilité
Comment rendre un objet invisible, et expliquer ce mirage ?
À première vue en lisant cette problématique on peut penser que seul un magicien peut faire disparaître un objet, et bien non :
Comme nous l’avons vu précédemment, la réfraction selon Descartes est normalement positive. C’est-à-dire qu’un rayon entrant dans un milieu par la gauche, en ressortirait par la droite après une légère déviation. Or pour le principe d’invisibilité, plusieurs pistes sont envisagées :
=> Un rayon entrant par la gauche, ressortirait par la gauche. La réfraction serait donc négative… En fait, le milieu possèderait un indice de réfraction n négatif (ou proche de 0), et la vitesse des ondes serait négative. On parle aussi d’ultra-réfraction.
Voici le principe de la réfraction négative :
Jusqu’à maintenant, la réfraction négative ou l’ultra-réfraction n’a pu être observée expérimentalement que dans le domaine des micro-ondes, et n'est pas possible dans les matériaux naturels mais dans des matériaux artificiels appelés métamatériaux.
=> Entrons donc dans le vif du sujet avec les métamatériaux en question.
L’invisibilité n’est alors plus un simple phénomène magique, mais purement scientifique et physique !
Concernant les matériaux naturels, lorsque la lumière entre en contact avec ceux-ci, elle est déviée (théorème de la réfraction de Snell Descartes).
Or, lorsque la lumière entrerait en contact avec les métamatériaux, les rayons magnétiques se courberaient en contournant ainsi l’objet, puis ressortiraient avec la même trajectoire qu’ils avaient au départ.
Un métamatériau
Maintenant, si l’on place un objet à l’intérieur du métamatériau, la lumière ne pourrait pas l’atteindre car elle aurait rencontré l’obstacle du matériau et serait déviée… L’objet resterait donc “caché”, donc invisible.
Le schéma ci-dessous explique le fonctionnement de la distorsion de la lumière.
La distorsion de la lumière
Cette invisibilité est créée par la distorsion des rayons lumineux, dont les trajectoires contournent l'objet à masquer. Les rayons prennent ensuite, derrière l'objet, la trajectoire qu'ils auraient suivit si l'objet n'avait pas été là.
La lumière et les ondes électromagnétiques sont guidées par ces matériaux.
C’est le même principe que l'eau d'une rivière coulant autour d'une roche.
L'eau d'une rivière coulant autour des roches
comme la lumière guidée par les métamateriaux