Qu’est-ce qu’un chien soleil ? Un lauréat du prix Nobel explique la science derrière le spectacle de lumière de vague de froid

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L’un des effets de la vague de froid record dans l’Ouest canadien, qui devrait se poursuivre cette semaine, est une remarquable série de photographies sur les réseaux sociaux de « chiens du soleil », une illusion d’optique atmosphérique dans laquelle deux nouveaux petits soleils apparaissent au à gauche et à droite du vrai soleil, reliés au-dessus par un halo lumineux, souvent avec des effets arc-en-ciel.

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Du Dakota du Nord à Vancouver, les gens ont posté des photos de ces « faux soleils », comme l’ancien philosophe grec Aristote appelait le phénomène lorsqu’il l’a observé pour la première fois au IVe siècle avant notre ère. Depuis, ils suscitent l’intérêt des gens.

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Pour comprendre pourquoi l’air froid déforme la lumière, le National Post s’est entretenu avec Donna Strickland, une physicienne optique canadienne qui a remporté le prix Nobel de physique 2018, la troisième femme à le faire après Marie Curie, qui a découvert la radioactivité, et Maria Goeppert Mayer, qui a décrit la structure du noyau atomique.

« C’est le contraire d’un mirage par une chaude journée », a déclaré Strickland, dont la principale recherche à l’Université de Waterloo porte sur les lasers, une sorte de lumière amplifiée.

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Lorsque vous voyez une flaque d’eau imaginaire devant l’autoroute, a-t-elle dit, c’est parce que l’air chaud réchauffé par la surface de la route fait plier la lumière près du sol. C’est un effet optique peu structuré, moins frappant visuellement qu’un halo solaire un jour d’hiver, mais il reflète la même physique et le même comportement de la lumière.

La lumière voyage à une vitesse constante dans le vide, mais lorsqu’elle traverse un milieu, comme l’air, l’eau ou la glace, elle peut être ralentie à des degrés divers. Cela le plie.

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L’air plus dense le ralentit plus que l’air moins dense, donc par exemple, lorsque l’air surchauffé au-dessus de l’asphalte routier rencontre l’air plus frais et plus dense au-dessus, il crée une limite approximative de densités.

« Chaque fois qu’il y a cette limite, il y a une flexion », a déclaré Strickland.

La lumière se plie également d’autres manières. Il peut être courbé par gravité, par exemple, mais seulement sur de vastes distances cosmologiques alors qu’il se déplace dans le vide de l’espace à sa vitesse constante d’environ 300 000 kilomètres par seconde.

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Plus près de chez nous dans l’atmosphère terrestre, c’est une autre histoire. La lumière se plie lorsqu’elle traverse différents supports car elle est ralentie à des degrés différents. C’est la densité qui le fait voyager plus lentement, pas la température. Physiquement, c’est aussi pourquoi un bâton droit semble plié lorsqu’il est en partie sous l’eau, car l’eau est plus dense que l’air.

Strickland a un exercice qu’elle aime faire avec les classes d’école primaire qu’elle visite pour illustrer cet effet. Imaginez une file de huit enfants debout horizontalement sur les cases d’un échiquier, tenant une corde à sauter tendue. Cette corde est la crête d’une vague de lumière, et chaque enfant est un photon, avançant ensemble en lignes droites. Imaginez une ligne diagonale à travers l’échiquier marquant la frontière entre l’air et l’eau. Les enfants savent que dans l’air, ils peuvent faire un pas à la fois, mais dans l’eau seulement un demi-pas à chaque fois. Alors qu’ils avancent, l’enfant à la fin atteint d’abord la limite de l’eau, puis ralentit. L’enfant suivant fait un pas de plus, mais ralentit également après avoir franchi la limite.

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Ensuite, Strickland peut prendre du recul et dire aux enfants de regarder la corde à sauter.

« C’est toujours une ligne, seule la ligne est maintenant pliée », a-t-elle déclaré. Les enfants ont tendance à le comprendre de cette façon, a-t-elle déclaré.

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La lumière interagit avec tous les médias avec lesquels elle entre en contact et peut parfois être considérée non pas comme passant, mais comme étant absorbée et réémise. Strickland a fait une comparaison avec les arcs-en-ciel, formés lorsque la lumière blanche est séparée en couleurs constitutives par un prisme. Elle a dit que c’est comme si la lumière bleue, avec son énergie plus élevée et sa longueur d’onde plus courte, avait une énergie similaire aux électrons qu’elle rencontre au cours de son voyage, et donc s’accroche un peu avec eux, tandis que les photons rouges, avec leur longue longueur d’onde et leur énergie plus faible , ne parviennent pas à interagir et simplement « continuez ». Le rouge est donc moins ralenti et se plie moins que le bleu. Sur tout le spectre lumineux, l’effet est un arc-en-ciel.

Au niveau microscopique, dans les cristaux de glace en suspension dans l’air froid de l’Ouest par exemple, les mêmes dynamiques physiques sont à l’œuvre.

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Les cristaux de glace sont hexagonaux, à six côtés, et leur géométrie signifie que la lumière qui les traverse est courbée deux fois, à l’entrée et à la sortie. L’effet est une réfraction d’au moins 22 degrés, qui détermine la taille du halo pour un observateur à une distance donnée.

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C’est le halo le plus courant par temps froid. Il peut y avoir des halos plus larges, mais pas de plus petits, car la lumière ne se réfracte pas à moins de 22 degrés à travers un cristal de glace hexagonal.

Techniquement, un faux soleil s’appelle un parhelion, du grec pour « à côté du soleil ». L’étymologie de « chien du soleil » est moins claire et pourrait ne pas du tout faire référence à un chien réel.

La courbure de la lumière dans l’air froid peut avoir d’autres effets curieux. Il peut déformer des objets distants et créer des mirages, même avec la lumière du dessous de l’horizon. Un exemple célèbre est celui des « montagnes Croker », que l’explorateur de l’Arctique John Ross pensait avoir vu dans le détroit de Lancaster en 1818, mais qui sont maintenant considérées comme un mirage. S’il n’avait pas fait demi-tour, il aurait peut-être découvert que le détroit de Lancaster est en fait l’entrée d’un passage du Nord-Ouest.