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--> rayonnement
--> radiosonde
--> Richardson (Lewis Fry)
--> Rossby (Carl-Gustav Arvid)
--> régime
--> régime climatique
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--> radiosondage
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| METEO FRANCE - réfraction
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Niveau d'explication :
La formulation des lois de la réfraction
De même que la réflexion et la diffraction , la
réfraction est en réalité un processus
ondulatoire, qui peut se manifester dans toutes
les catégories d'onde, et notamment les ondes
acoustiques et les ondes électromagnétiques —
parmi lesquelles figurent, bien sûr, les ondes
lumineuses constituant le rayonnement solaire .
Ainsi, dans la description géométrique esquissée
ci-dessus (de façon analogue à l'article relatif Ã
la réflexion ), chaque rayon lumineux schématise
une direction de propagation d'une onde lumineuse
: cette direction éprouve un changement
discontinu, immédiatement consécutif au passage du
front d'onde à travers la surface (S) délimitant
le milieu adjacent dans lequel pénètre une partie
au moins du rayonnement incident . Cette partie,
formant le rayonnement réfracté, subit alors dans
sa vitesse de propagation des changements qui
dépendent entre autres des longueurs d'onde de ses
composantes spectrales et des propriétés du
nouveau milieu où elle se déplace, cela sans que
la longueur d'onde de chaque rayonnement
monochromatique composant ce rayonnement ait été
modifiée. Cependant, le spectre global de
longueurs d'onde du rayonnement réfracté sera
modifié par rapport à celui du rayonnement
incident en cas de réflexion ou d' absorption
différentielles d'une partie de ce dernier au
contact de la surface d'incidence ; de plus, il
peut apparaître au passage de l'interface de
séparation un phénomène de décomposition du
rayonnement : en effet, si un rayon incident
réunit des rayons composants qui diffèrent entre
eux par leurs longueurs d'onde, et donc par leurs
indices de réfraction du second milieu par rapport
au premier, le rayon réfracté ne restera pas une
droite, mais se déploiera plus ou moins en
éventail, produisant une dispersion du rayonnement
en fonction des valeurs de ces indices.
Géométriquement, on associe à l' angle d'incidence
i = ( IN , IM ), au point d'incidence I, l' angle
de réfraction r = ( IN' , IP ) entre la
perpendiculaire en I Ã (S) et la direction du
rayon réfracté, ces deux angles aigus étant
comptés entre 0° et 90°. On montre dans ces
conditions que si une onde de fréquence donnée se
propage à la vitesse u i dans le milieu initial et
à la vitesse u r dans le nouveau milieu (l'un
quelconque de ces milieux pouvant être le vide),
alors la droite NIN' et les rayons MI et IP se
trouvent dans un même plan et, en outre, le
changement de direction des rayons passant de l'un
à l'autre milieu s'exprime par la relation
sin i = n sin r
où n , indice de réfraction du second milieu par
rapport au premier, est égal au rapport u i / u r
des vitesses de propagation de l'onde dans les
deux milieux successifs (cette relation entre
sinus est appelée la loi de Snell-Descartes ou loi
de Snell , d'après les noms de l'astronome et
mathématicien hollandais Willebrord Snell Van
Royen, dit Villebrordus Snellius [1580 ou
1581-1626], qui la formula, et du philosophe et
savant français René Descartes [1596-1650], qui
l'énonça à son tour et la publia). Il en résulte
en particulier que lorsque n est supérieur à 1 —
c'est le cas d'une lumière passant de l' air Ã
l'eau — , il existe une valeur maximale ou angle
limite de réfraction r M pour r , atteinte pour
des rayons incidents presque rasants et telle que
sin r M = 1 / n , tandis que lorsque n est
inférieur à 1, au contraire, les rayons incidents
ne peuvent pénétrer dans le second milieu que si
la valeur de i ne dépasse pas celle de l' angle
limite d'incidence i M défini par sin i M = n ,
pour laquelle l'angle de réfraction est
pratiquement droit : dans ce dernier cas, tout
rayon incident pour lequel i > i M subit une
réflexion totale .
La réfraction de la lumière et l'atmosphère
Un rayonnement capable d'être réfracté dans un
certain milieu y est dit "réfrangible", et un
milieu capable de réfracter un rayonnement est dit
"réfringent" par rapport à celui-ci. L' atmosphère
est ainsi un milieu réfringent pour le rayonnement
lumineux , qui y est réfrangible. Dans ce cas des
ondes lumineuses, l'indice de réfraction de l'air
par rapport au vide (où la lumière se propage Ã
une vitesse constante c presque égale à 300 000
km/s) est à peine supérieur à 1, si bien que l'air
est souvent employé comme milieu initial de
référence pour évaluer les autres indices de
réfraction. Cependant, cet indice est variable
avec la masse volumique des couches atmosphériques
traversées par les rayons lumineux, dont les
directions peuvent alors se courber de plus en
plus du fait de réfractions successives. Ce sont
ces successions d'infléchissements qui expliquent
certains phénomènes optiques, comme l'avance de
l'apparition du Soleil au-dessus de l'horizon sur
l'instant réel de son lever et le retard de sa
disparition derrière l'horizon par rapport Ã
l'instant réel de son coucher (les rayons solaires
se courbent davantage vers la Terre à mesure
qu'ils traversent des couches d'air plus denses),
ou parfois le déplacement apparent d'un objet
éloigné en comparaison de sa position réelle (la
masse volumique de la couche d'air où se trouvent
l'objet et l'observateur subit une variation
horizontale) ; citons encore les nombreuses
variantes de mirages , que favorisent par exemple
les inversions de température au-dessus de
surfaces froides (le paysage semble alors se
dessiner assez haut dans le ciel) ou, tout au
contraire, les réchauffements intenses de basses
couches au-dessus de surfaces réfléchissantes
telles que plans d'eau, routes, etc. (l'image
formée par réflexion en dessous du paysage semble
alors se dessiner près du sol).
Par ailleurs, l'indice de réfraction n λ d'un
milieu par rapport à l'air — identifiable à son
indice de réfraction par rapport au vide — est
variable avec la fréquence ν de chaque rayonnement
monochromatique qui passe de l'air à ce milieu,
ou, ce qui est équivalent, avec la longueur d'onde
dans le vide λ de ce rayonnement, telle que λ = c
/ ν . Une approximation satisfaisante de cette
variation est donnée par la loi de Cauchy
(proposée par Augustin, baron Cauchy [1789-1857],
mathématicien français),
n λ = a 0 + a 1 / λ 2
dans laquelle les constantes positives a 0 et a 1
sont à préciser chaque fois suivant les
caractéristiques physiques du milieu réfringent :
ainsi, n λ est d'autant plus grand que λ est plus
petit. Or, la loi de Snell-Descartes montre que
pour un angle d'incidence i donné, l'angle de
réfraction r (alors inférieur à i ) est d'autant
plus petit que n λ est plus grand : on comprend
ainsi que dans les dispersions de la lumière
blanche par réfraction, les couleurs s'ordonnent
par déviations croissantes à mesure que
décroissent les longueurs d'onde (ou que croissent
les fréquences), depuis le rouge jusqu'au violet.
Cet agencement des couleurs se retrouve non
seulement dans les arcs-en-ciel et les halos ,
mais aussi dans d'autres phénomènes de réfraction
atmosphérique, comme le rayon vert , qui est un
bref éclat à dominante émeraude lancé par le
Soleil (ou même par quelque autre astre) au moment
de franchir l'horizon le matin ou le soir : alors,
le spectre des images colorées de l'astre défile
verticalement face à l'observateur, mais seul le
vert, par conditions très favorables, y tracera sa
marque entre les teintes orangées, trop soumises Ã
absorption, et les teintes bleutées, trop soumises
à diffusion .
Droits de reproduction et de diffusion réservés METEO FRANCE 2003 |
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