OLYMPIADES DE PHYSIQUE 2005 A LA RECHERCHE DU RAYON VERT Louis Veyrat, Christophe Tassot Lycée Bellevue, Toulouse 2005 a été l'année de Jules Verne, le grand romancier du 20me siècle. Dans toutes ses œuvres, cet auteur est parti, pour créer ses romans, de faits scientifiques biens réels; on peut donc penser qu il en est ainsi du roman intitulé : Le Rayon Vert. Ce rayon est décrit comme étant issu du soleil couchant, lorsque le disque solaire disparaît sur un horizon dégagé. Il se présente sous la forme d'un flash lumineux vert d'une fraction de seconde, nettement perceptible à l'oeil nu. Mais qu est ce qui peut bien causer un tel phénomène? PROBLEMATIQUE : - Qu'est ce que le rayon vert? A quoi est dû ce phénomène? - Peut-on le reproduire artificiellement au laboratoire? - Comment peut on l observer? I - Le rayon vert est-il d origine solaire? Nous avons commencé par nous pencher sur le soleil lui-même : le rayon vert est-il présent sur le disque solaire, la lumière aveuglante du soleil le cachant, ne le laissant visible que lorsqu il ne reste qu une infime partie du limbe, au couché du soleil? Afin de tester cette hypothèse, nous avons décidé de projeter le disque solaire sur une feuille de papier grâce à un télescope : L image de l objet étudié se forme sur la feuille, de sorte que l on peut l étudier et permettre d observer le disque solaire sans risque. En effet, observer directement le disque solaire peut entraîner des brûlures rétiniennes ou même la cécité. 1
Hélas,nous n avons pu observer que quelques taches solaires, ainsi que des phénomènes colorés sur les bords du disque, d un côté rouge et de l autre bleu ; mais ces phénomènes ne sont pas dus au soleil, car décaler l image échange les couleurs! Nous appellerons ces phénomènes «irisations». II -D où viennent toutes ces couleurs? Nous nous sommes alors intéressés à ces irisations : peut-être ont-elles un rapport avec le rayon vert? Dés lors, se présentent à nous plusieurs hypothèses : -le phénomène est d origine solaire -le phénomène est dû au télescope -le phénomène est dû aux milieux traversés par la lumière La première hypothèse est fausse : en effet, ces phénomènes sont interchangeables par simple déplacement de l image. Analysons a présent la deuxième hypothèse. Si cet effet est dû au télescope, et donc non directement présent sur le soleil, c est qu il est crée par le télescope. On remarque en effet que les phénomènes observés sont : rouge d un coté et bleu de l autre. Or, ces deux couleurs se retrouvent chacune aux extrémités du spectre de la lumière visible. On est donc porté à croire que ces phénomènes sont dus aux constituants du télescope : les lentilles de l oculaire ou les miroirs primaires et secondaires. Si les irisations sont dues au télescope, alors elles sont dues aux miroirs ou aux lentilles. 2
1) Etude des miroirs Nous avons commencé par l étude des miroirs. Si nos irisations sont dues aux miroirs, on doit pouvoir les retrouver en réfléchissant une lumière grâce à un miroir de télescope. L étude ne nous a pourtant fournie aucun résultat. En effet, lorsque l on se regarde dans un miroir, notre image n est pas déformée au niveau des couleurs ; le miroir n est donc pas en cause dans l apparition des aberrations chromatiques. 2) Etude des lentilles Nous avons donc, devant l échec de l hypothèse sur les miroirs, testé celle des lentilles. Une lentille est un objet en verre, dont la surface comporte deux dioptres, donc de forme arrondie. Si la lentille a la propriété de créer des aberrations chromatiques par dispersion de la lumière, alors un autre objet en verre présentant une forme arrondie, ou deux faces non parallèles devrait avoir les mêmes propriétés. On a interposé devant un faisceau lumineux, différents objets en verre : un prisme, une vitre et une baguette. La lentille présente sur le montage permet de faire une image de la fente, ce qui contribue à une meilleure visualisation du phénomène. On connaît l effet obtenu avec un prisme ; on obtient la dispersion de la lumière. 3
En interposant la vitre devant une source lumineuse, on n obtient aucune irisation. En effet, lorsque le soleil traverse une fenêtre, la lumière n est pas dispersée. On observe ici des irisations avec la baguette de verre. Notre hypothèse à propos de l origine des irisations est vérifiée : c est bien le télescope qui en est à l origine. 3) Etude de l image du soleil à travers un prisme à vision directe Nous avons alors cherché à expliquer ce phénomène ; or, ce phénomène fait naître des couleurs à partir de la lumière blanche. On connaît un autre phénomène qui produit les mêmes effets : la dispersion de la lumière par un prisme. On peut donc raisonnablement assimiler ces irisations à un phénomène de dispersion. On cherche donc, pour l expliquer, à l amplifier et pour cela, nous l avons amplifié, grâce à un prisme à vision directe : celui ci est formé de trois prismes accolés d indices de réfraction differents, qui permettent de réfracter la lumière reçue, puis de redresser l axe moyen afin de rendre une image de l objet, mais une image réfractée. Nous avons interposé ce prisme entre l oculaire et l écran, afin d obtenir une image dispersée du disque solaire. 4
Nous obtenons ici une image du soleil à travers un système dispersif amplifié. Nous avons cherché à expliquer cette image, toujours avec pour but la recherche de la cause du rayon vert. On sait que l œil humain est capable, grâce à ses cônes, de percevoir trois couleurs : le bleu, le vert et le rouge, dont la superposition des radiations donnent dans l œil une infinité de couleurs. Nous nous sommes donc demandé si l image du soleil obtenue précédemment ne pouvait s expliquer par la superposition de ces trois couleurs. Nous nous sommes donc intéressés à ce que donnait la superposition de ces différentes radiations. A l aide d une lampe, nous avons superposé sur un écran ces trois radiations, et voici ce que nous avons obtenu : Rouge + Bleu = Magenta Vert + Bleu = Cyan Vert + Rouge = Jaune Rouge + Vert + Bleu = Blanc Ici, seules les trois dernières nous intéressent. Car, grâce à ces résultats, nous avons construit un modèle simplifié afin d expliquer l image du soleil à travers le prisme à vision directe. On suppose que la lumière solaire est formée de trois radiations : rouge, vert 5
et bleu, représentées par trois disques de couleur. Nous les avons légèrement décalés, tout comme le fait le système dispersif du prisme à vision directe. A la zone de présence uniquement du disque bleu, on obtient que du bleu ; à la zone de superposition du bleu et du vert, on obtient, d après l expérience précédente, du cyan ; à la superposition des trois couleurs, on obtient du blanc ; puis du jaune, au lieu de superposition du rouge et du vert ; et enfin du rouge seul. Or, ce modèle simplifié coïncide exactement avec l observation : de haut en bas, on obtient : bleu, cyan, blanc, jaune, rouge. Le modèle explique même les deux petites pointes de vert sur les deux bords de gauche et de droite ; On a donc bien expliqué l origine et les mécanismes d apparition des irisations. Mais on n a toujours pas trouvé l origine du rayon vert. III -Etude des milieux traversés par la lumière Le rayon vert est un phénomène optique ; il ne peut être originaire que d une perturbation des rayons lumineux solaires au cours de leur route ; cette perturbation ne peut être due que à une interaction avec la matière. Or, ces milieux matériels ne peuvent être que les milieux traversés par la lumière. Nous allons donc étudier l influence des milieux traversés par la lumière sur l apparition du rayon vert. Avant de parvenir à notre œil, la lumière solaire traverse deux milieux : -le milieu interplanétaire, l espace, très peu dense, de l ordre d une molécule au centimètre carré -le milieu atmosphérique, très dense, de l ordre de 10^20 molécules au centimètre carré. Si le rayon vert est dû à un phénomène produit par les milieux qu il traverse, alors il est forcement dû à l atmosphère, beaucoup plus dense que le milieu interplanétaire. Nous avons étudié les differents ciels que nous connaissons dans le système solaire : c'est-à-dire ceux de Mars, de la Terre et de la Lune. 6
On observe que le ciel de la Lune est noir. En réalité, son atmosphère est très peu dense (de l'ordre de l'air contenu dans une salle de classe pour toute la Lune), et en tout cas insuffisante pour créer des phénomènes lumineux. Le ciel de Mars, est rouge/ocre, celui de la Terre est bleu. Si ils ne sont pas noirs, c'est donc parce qu'ils ont une atmosphère; et si ils sont colorés, leur couleur ne peut venir que de la lumière qu'ils reçoivent, c'est à dire la lumière solaire, qu'ils dispersent, ce qui leur donne leur couleur. Un type différent de diffusion doit s'opérer sur la Terre et sur Mars, puisque les couleurs de leur ciel respectif sont différentes. Nous savons donc maintenant que l atmosphère terrestre doit jouer un rôle de diffusion de la lumière solaire, puisqu il n est pas noir. Mais il s agit également d un milieu matériel et transparent ; il doit donc également avoir un effet dispersif sur la lumière solaire, ayant un indice de réfraction différent de celui du vide. A ce stade, nous avons fait une hypothèse : - l atmosphère joue un double rôle : dispersion et diffusion de la lumière solaire. Après quelques recherches, nous avons trouvé une expérience qui permet de simuler le rôle diffusif de l atmosphère. Nous avons amélioré cette expérience pour y ajouter le phénomène de dispersion. Protocole expérimental : Une ampoule de 100 W, la source, est reliée à un générateur. Elle éclaire, grâce à un condenseur, un trou source. Une lentille former alors une image sur l écran. Cette image représente le soleil tel que nous le voyons dans le ciel. 7
Afin de simuler les effets supposés de diffusion et de dispersion, on utilise : - pour la dispersion, un prisme à eau, que l on place entre l écran et la lentille. - pour la diffusion, une cuve à l intérieur de laquelle on mélange du thiosulfate de sodium et de l acide chlorhydrique. La réaction qui s ensuit produit du souffre, qui a la capacité de diffuser la lumière. 8
Afin de compléter l expérience, on se propose d étudier également les spectres de la lumière avant et après diffusion par la cuve. On dévie, à l aide d un miroir, une partie de la lumière de la lampe, dont on fait l image avec une autre lentille. En intercalant un réseau par transmission entre lentille et image, on obtient le spectre de la lumière émise par la source, afin de vérifier qu elle contient bien toute les composantes du visible, tout comme la lumière solaire (sur les images, spectre de gauche). Grâce à une lame semi-réflechissante, on dévie une autre partie de la lumière, cette fois sortant de la cuve diffusive, qui va se réfléchir sur un réseau par réflexion. Le spectre de la lumière après diffusion va donc se former sur l écran (sur les images, spectre de droite). Résultats de l expérience : Au début de l expérience, voici le «soleil» que l on observe : Il correspond bien à l image que nous avons déjà obtenue du soleil à travers un système dispersif. Au cours de l expérience, on remarque que la cuve diffusive se colore en bleu ; le spectre de la lumière transmise se dénude quant à lui de bleu ; le «soleil» devient rougeâtre. Enfin, on observe, sur le limbe, deux irisations : l une rouge, et l autre verte, dont on peut penser qu il s agit du rayon vert ; En effet, si on simule le coucher de soleil avec une feuille de papier, en masquant petit à petit le limbe, on n obtient que la dernière partie visible, la dernière lumière reçue est verte! 9
On a donc trouvé que : - d une part, la cuve diffuse bien la lumière bleue, tout comme le ciel terrestre ; de plus, tout au long de la réaction, la concentration du souffre en solution augmente tout comme l épaisseur de l atmosphère, traversée par la lumière du soleil, augmente lorsque celui-ci se couche, ce qui explique que le soleil, simulé ou réel, devient rouge puisque dénudé de bleu. - d autre part, on a trouvé un phénomène qui semble être le rayon vert. On peut l expliquer par le même modèle simplifié que celui utilisé précédemment pour comprendre l image du soleil à travers un système dispersif. Puisque ici le bleu à été diffusé, ce ne sont pas trois couleurs qui seront présentes pour expliquer les différentes couleurs obtenues, mais deux : rouge et vert. Leur superposition à travers un système dispersif, supposé être l atmosphère, donne bien une irisation rouge en bas et une verte en haut. Le fait que le modèle prévoit du jaune et que l on observe du rouge/orangé tient au fait que, l atmosphère aussi bien que la cuve, ne diffusent pas uniquement le bleu, mais aussi une part de vert. Le rouge empiète donc sur le vert, et le jaune devient rougeâtre. 10
Le fait que notre hypothèse simple nous permette de trouver une explication plausible au rayon vert nous permet donc de croire que notre explication est la bonne. Notre hypothèse de départ est donc vérifiée : les phénomènes de diffusion et de dispersion de la lumière solaire par l atmosphère permettent d expliquer le rayon vert. IV -Lire dans le cœur des hommes Le titre de cette partie fait référence à une ancienne légende celte, qui disait que qu une personne ayant observé le rayon vert était en mesure de lire dans le cœur des hommes. Dans un souci purement scientifique, nous avons cherché à vérifier cette légende, et pour cela à établir une liste des éléments indispensables pour pouvoir observer le rayon vert susdit, et ainsi avoir peut être la chance de «lire dans le cœur des hommes». Cette recherche est d ailleurs au centre du roman de Jules Verne. D après la recherche menée précédemment, nous avons établit que, pour avoir une chance de pouvoir voir le rayon vert, il faut : - pouvoir observer le soleil se coucher ; sans quoi, on ne peut espérer voir le rayon vert, évidemment. - qu aucune brume ne vienne troubler l horizon ; car le rayon vert est un phénomène assez faible, et la brume peut le cacher à la vue. Ainsi, l univers urbain est peu conseillé à l observation du rayon vert. - enfin, être prêt à observer un phénomène fugace ; car le dernier rayon du soleil n est, par définition, pas un phénomène qui dure dans le temps. 11
Par exemple, ce coucher de soleil, bien que magnifique, n est absolument pas adapté à l observation du rayon vert! CONCLUSION : Nous avons donc obtenu des réponses aux questions que nous nous sommes posées au tout début de notre recherche : nous avons trouvé une explication plausible du rayon vert, nous avons réussi à le reproduire en laboratoire, et enfin nous avons mis en place un protocole afin de l observer. 12