Phénomènes de réfraction atmosphérique terrestre

Luc Dettwiller

doi:10.5802/crphys.114

Phénomènes de réfraction atmosphérique terrestre

Luc Dettwiller ¹

¹ Université Jean Monnet Saint-Etienne, CNRS, Institut d Optique Graduate School, Laboratoire Hubert Curien UMR 5516, F-42023, SAINT-ETIENNE, France

Comptes Rendus. Physique, Astronomy, Atmospheres and Refraction, Volume 23 (2022) no. S1, pp. 103-132.

Résumé
Abstract

Presque sans étude analytique, on propose une présentation ordonnée et illustrée des effets de réfraction atmosphérique (ou terrestre), i.e. affectant — par opposition à la réfraction astronomique — la vision de la forme et la position apparentes d’objets situés dans l’atmosphère. La classification adoptée (non exhaustive car il reste des cas atypiques mystérieux) repose surtout sur la forme des courbes de transfert et sur les valeurs du coefficient de réfraction $κ$ . On commence par les mirages (i.e. les cas où il se forme une image renversée), dont on distingue quatre grands types : inférieur, supérieur, Nachspiegelung et pseudo-mirage, mirage multiple. On continue par le cas spécial des Fata Morgana : leur forme archétypale est un cas de transition dont la cause physique reste imparfaitement comprise, et leurs formes réelles sont plus complexes et variées, quoique souvent rattachées aux mirages supérieurs. Restent enfin les cas sans image renversée mais inhabituels : compression / étirement, disparition, surgissement, effet hillingar — i.e. surgissement fort ( $κ > 1$ ) donnant l’illusion qu’une surface horizontale (la mer par ex.) est concave.

This article presents, almost without any analytical analysis, an orderly and illustrated presentation of the atmospheric—or terrestrial—refraction effects, i.e., affecting the vision of the apparent shape and position of objects located in the atmosphere, contrary to the case of astronomical refraction. The adopted classification, which is non-exhaustive as there are still mysterious atypical cases, is mostly based on the shape of the transfer curves and on the value of the refraction coefficient $κ$ . Beginning with mirages, i.e. when an inverted image is formed, four main types are identified: inferior, superior, Nachspiegelung and mock-mirage, multiple mirage. Then comes the special case of Fata Morgana: their archetypal form is a transition case whose physical cause remains imperfectly understood, and their real forms are more complex and varied, although often linked to superior mirages. Finally remain the unusual cases without inverted image: stooping/stretching, sinking, looming, and finally hillingar effect—corresponding to a strong looming ( $κ > 1$ ) and giving the illusion that a flat horizontal surface, e.g., the sea, is concave.

Reçu le : 2022-01-15
Révisé le : 2022-06-17
Accepté le : 2022-07-07
Première publication : 2023-02-21
Publié le : 2023-10-27

DOI : 10.5802/crphys.114

Mots-clés : Mirage inférieur, Pseudo-mirage, Mirage supérieur, Fata Morgana, Étirement, Surgissement, Effet hillingar
Keywords: Inferior mirage, Mock mirage, Superior mirage, Fata Morgana, Stretching, Looming, Hillingar effect

Affiliations des auteurs :

Luc Dettwiller ¹

¹ Université Jean Monnet Saint-Etienne, CNRS, Institut d Optique Graduate School, Laboratoire Hubert Curien UMR 5516, F-42023, SAINT-ETIENNE, France

Licence :

CC-BY 4.0

Droits d'auteur : Les auteurs conservent leurs droits

@article{CRPHYS_2022__23_S1_103_0,
     author = {Luc Dettwiller},
     title = {Ph\'enom\`enes de r\'efraction atmosph\'erique terrestre},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {103--132},
     publisher = {Acad\'emie des sciences, Paris},
     volume = {23},
     number = {S1},
     year = {2022},
     doi = {10.5802/crphys.114},
     language = {fr},
}

TY  - JOUR
AU  - Luc Dettwiller
TI  - Phénomènes de réfraction atmosphérique terrestre
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2022
SP  - 103
EP  - 132
VL  - 23
IS  - S1
PB  - Académie des sciences, Paris
DO  - 10.5802/crphys.114
LA  - fr
ID  - CRPHYS_2022__23_S1_103_0
ER  -

%0 Journal Article
%A Luc Dettwiller
%T Phénomènes de réfraction atmosphérique terrestre
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2022
%P 103-132
%V 23
%N S1
%I Académie des sciences, Paris
%R 10.5802/crphys.114
%G fr
%F CRPHYS_2022__23_S1_103_0

Luc Dettwiller. Phénomènes de réfraction atmosphérique terrestre. Comptes Rendus. Physique, Astronomy, Atmospheres and Refraction, Volume 23 (2022) no. S1, pp. 103-132. doi : 10.5802/crphys.114. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.5802/crphys.114/

Bibliographie
Cité par

[1] J. D. Everett On the optics of mirage, Philos. Mag., Volume 45 (1873), pp. 161-172 | DOI | Zbl

[2] W.-E. Schiele Zur Theorie der Luftspiegelungen, insbesondere des elliptischen Falles, Veröff. Geophys. Inst. Univ. Leipzig, Volume 7 (1935), pp. 101-188 | Zbl

[3] L. Dettwiller Propriétés remarquables de la réfraction astronomique dans une atmosphère à symétrie sphérique, C. R. Phys., Volume 23 (2022) no. S1, pp. 63-102 | DOI

[4] W. Hillers Theoretische und experimentelle Beiträge zur Aufklärung des dreifachen Bildes einer Luftspiegelung, Abhandlungen aus dem Gebiete der Naturwissenschaften, Volume 20 (1914), pp. 1-55

[5] J. D. Everett On mirage, Nature, Volume 11 (1874), p. 49-52 et 69–71

[6] J. D. Gergonne Du mouvement de la lumière dans un milieu transparent, dont la densité varie, dans tous les sens, suivant une loi mathématique quelconque, Ann. Math. Pures Appl., Volume 19 (1829), pp. 257-285 | Numdam

[7] J. D. Gergonne Essai analytique sur le phénomène du mirage, Ann. Math. Pures Appl., Volume 20 (1829), pp. 1-31 | Numdam

[8] L. Dettwiller La discussion par Kummer d’une quadrature sur la réfraction astronomique : commentaire historique, C. R. Phys., Volume 23 (2022) no. S1, pp. 503-525 | DOI

[9] L. Dettwiller Les développements de Lambert : commentaire historique, C. R. Phys., Volume 23 (2022) no. S1, pp. 453-465 | DOI

[10] J. M. Pernter; F. M. Exner Meteorologische Optik, Braumüller, Leipzig, 1922

[11] W. J. Humphreys Physics of the Air, McGraw-Hill, New York, 1940

[12] Société de recherche sur le mirage du lac Biwa, « Mirage supérieur survenu le 22 février 2001 (photo partiellement mise à jour le 9 mars 2001) » , http://www.biwa.ne.jp/~t-ban/010222_sinkirou.htm [page en japonais] (consulté le 20 décembre 2022)

[13] J.-B. de Chabert Voyage fait par ordre du Roi en 1750 et 1751 $\dots$ , Suite des Mémoires de l’Académie des Sciences, Imprimerie Royale, Paris, 1753

[14] G. Le Gentil Extrait d’un mémoire sur des observations astronomiques faites sur les réfractions, en 1786, 1787 et 1788, Mém. Acad. R. Sci. année 1789 (1793), pp. 224-236

[15] S. van der Werf Novaya Zemlya effect and FataMorgana. Raytracing in a spherically non-symmetric atmosphere, C. R. Phys., Volume 23 (2022) no. S1, pp. 365-389 | DOI

[16] J.-B. Delambre Histoire de l’Astronomie au Dix-Huitième Siècle, Bachelier, Paris, 1827

[17] A. Bravais Notice sur le mirage, Annuaire Météorologique de la France pour 1852, Volume 4 (1853), pp. 227-280

[18] W. Kelly On the temperature, fogs and mirages of the river St. Lawrence, Trans. Lit. Hist. Soc. Quebec, Volume 3 (1832), pp. 1-45

[19] W. H. Wollaston On double Images caused by atmospherical refraction, Philos. Trans. R. Soc. Lond., Volume 90 (1800), pp. 239-254

[20] J.-B. Biot Recherches sur les réfractions extraordinaires qui ont lieu près de l’horizon, Garnery, Paris, 1810

[21] A. T. Young Inferior mirages $:$ an improved model, Appl. Opt., Volume 54 (2015), p. B170-B176 | DOI

[22] J. Picard Voyage d’Uranibourg ou observations astronomiques faites en Dannemarck, Imprimerie Royale, Paris, 1680

[23] R. J. Boscovich; C. Maire De Litteraria Expeditione per Pontificiam Ditionem $\dots$ , Typographio Palladis, Rome, 1755

[24] R. Woltmann Beobachtungen über die Brechung der Lichtstrahlen, die nahe über der Erdfläche hinfahren, Gilb. Ann. Phys., Volume 3 (1800), pp. 397-438 | DOI

[25] Ch. Dufour De l’altération des images par reflexion sur la surface des eaux, Bull. Soc. Vaud. Sci. Nat., Volume 13 (1874), pp. 303-309

[26] W. H. Wollaston Observations on the quantity of horizontal refraction ; with a Method of measuring the Dip at Sea, Philos. Trans. R. Soc. Lond., Volume 93 (1803), pp. 1-11

[27] S. Y. van der Werf Noninverted images in inferior mirages, Appl. Opt., Volume 50 (2011), p. F12-F15 | DOI

[28] L. Dettwiller Properties of optical ducts, their chromatism and its effects on astronomical refraction, 2022 (preprint) | arXiv

[29] A. Wegener Elementare theorie der atmosphärischen Spiegelungen, Ann. Phys., Volume 57 (1918), pp. 203-230 | DOI

[30] S. Vince Observations upon an unusual horizontal refraction of the air ; with remarks on the variation to which the lower parts of the atmosphere are sometimes subject, Philos. Trans. R. Soc. Lond., Volume 89 (1799), pp. 13-23

[31] W. Scoresby Journal of a Voyage to the Northern Whale-Fishery, Constable, Edinburgh, 1823

[32] B. B. Balsley; R. G. Frehlich; M. L. Jensen; Y. Meillier; A. Muschinski Extreme gradients in the nocturnal boundary layer $:$ structure, evolution, and potential causes, J. Atmos. Sci., Volume 60 (2003), pp. 2496-2508 | DOI

[33] R. L. Ives Meteorological conditions accompanying mirages in the Salt Lake desert, J. Franklin Inst., Volume 245 (1948), pp. 457-473 | DOI

[34] W. H. Lehn; I. Schroeder The Norse merman as an optical phenomenon, Nature, Volume 289 (1981), pp. 362-366 | DOI

[35] W. H. Lehn; I. I. Schroeder The hafstramb and margygr of the King’s Mirror $:$ an analysis, Polar Record, Volume 40 (2004), pp. 121-134 | DOI

[36] W. Scoresby An Account of the Arctic Regions With a History and Description of the Northern Whale-Fishery, I, Constable, Edinburgh, 1820

[37] W. H. Lehn; W. K. Silvester; D. M. Fraser Mirages with gravity waves, Appl. Opt., Volume 33 (1994), pp. 4639-4643 | DOI

[38] A. T. Young; G. W. Kattawar; P. Parviainen Sunset science. I. The Mock mirage, Appl. Opt., Volume 36 (1997), pp. 2689-2700 | DOI

[39] W. Kelly On some extraordinary forms of mirage, Nautical Mag. (London), Volume 8 (1839), pp. 394-399

[40] F.-A. Forel Le Léman — Monographie limnologique, t. 2, F. Rouge, Lausanne, 1895

[41] A. Kircher Ars Magna Lucis et Umbrae, Sumptibus Hermanni Scheus ex typographia Ludovici Grignani, Rome, 1646

[42] A. Minasi Dissertazioni sopra diversi fatti meno ovvi della storia naturale, Benedetto Francesi, Rome, 1773

[43] A. T. Young; E. Frappa Mirages at Lake Geneva : the Fata Morgana, Appl. Opt., Volume 56 (2017), p. G59-G68 | DOI

[44] P.-A. Bonnelance Les réfractions anormales, L’Astronomie, Volume 43 (1929), pp. 489-501

[45] F.-A. Forel La Fata-Morgana, C. R. Acad. Sci., Volume 153 (1911), pp. 1054-1056

[46] Marc’Antonio Politi Cronica della nobil’ e fedelissima città di Reggio, Appresso Pietro Brea, Messine, 1617

[47] H. L. Sawatzky; W. H. Lehn The Arctic mirage and the early north Atlantic, Science, Volume 192 (1976), pp. 1300-1305 | DOI

[48] W. H. Lehn; I. I. Schroeder Hafgerdingar $:$ a mystery from the King’s Mirror explained, Polar Record, Volume 39 (2003), pp. 211-217 | DOI

[49] S. van der Werf Hafgerdingar and giant waves, Appl. Opt., Volume 56 (2017), p. G51-G58 | DOI

[50] W. Latham Account of a singular instance of atmospherical Refraction. In a Letter from William Latham, Esq. F.R.S. and A.S. to the Rev. Henry Whitfield, D.D. F.R.S. and A.S., Philos. Trans. R. Soc. Lond., Volume 88 (1798), pp. 357-360

[51] K. H. Milne; R. Duff Abnormal refraction, Mediterranean sea, Mar. Observer, Volume 57 (1987), p. 112

[52] J.-L. Soret Sur divers phénomènes de mirage, Arch. Sci. Phys. Nat., Volume 20 (1888), pp. 302-304

[53] Mirage on the Gulf of Finland, May 1 $^{st}$ , 1919, Met. Mag., Volume 56 (1921), p. 40

[54] W. H. Lehn Atmospheric refraction and lake monsters, Science, Volume 205 (1979), pp. 183-185 | DOI

[55] R. L. Ives Recurrent mirages at Puerto Peñasco, Sonora, J. Franklin Inst., Volume 252 (1951), pp. 285-295 | DOI

[56] L. Dettwiller Panorama historique de l’étude de la réfraction astronomique : une histoire méconnue entre optique, mathématiques et géodésie, C. R. Phys., Volume 23 (2022) no. S1, pp. 13-62 | DOI

[57] L. Dettwiller L’invariant de Bouguer et ses conséquences : commentaire historique, C. R. Phys., Volume 23 (2022) no. S1, pp. 415-452 | DOI

[58] L. Dettwiller Some theorems on “arctic mirages” $:$ hillingar effect and superior mirages, J. Opt. Soc. Am. A, Volume 36 (2019), pp. 1997-2004 | DOI

[59] G. F. Wright; W. Upham Greenland Icefields and Life in the North Atlantic, D. Appleton, New York, 1896

[60] W. H. Lehn Skerrylike mirages and the discovery of Greenland, Appl. Opt., Volume 39 (2000), pp. 3612-3619 | DOI

[61] A. T. Young Did Monge really explain inferior mirages ?, C. R. Phys., Volume 23 (2022) no. S1, pp. 467-481 | DOI

[62] W. H. Lehn Inversion of superior mirage data to compute temperature profiles, J. Opt. Soc. Am. A, Volume 73 (1983), pp. 1622-1625 | DOI

[63] W. H. Lehn; J. S. Morrish A three-parameter inferior mirage model for optical sensing of surface layer temperatures profiles, IEEE Trans., Volume GE-24 (1986), pp. 940-946

[64] W. G. Rees; C. M. Roach; C. H. F. Glover Inversion of atmospheric refraction data, J. Opt. Soc. Am. A, Volume 8 (1991), pp. 330-338 | DOI

[65] P. D. Sozou Inversion of mirage data $:$ an optimization approach, J. Opt. Soc. Am. A, Volume 11 (1994), pp. 125-134 | DOI

[66] W. G. Rees Mirage with linear images diagram, J. Opt. Soc. Am. A, Volume 7 (1990), pp. 1351-1354 | DOI

[67] M. E. Tschudin Refraction near the horizon — An empirical approach. Part 2 $:$ variability of astronomical refraction at low positive altitude (LPAAR), Observatory, Volume 139 (2019), pp. 29-68

[68] P. Bouguer De la Méthode d’Observer Exactement sur Mer la Hauteur des Astres, Claude Jombert, Paris, 1729

[69] J. H. Lambert Les proprietés remarquables de la route de la lumière, H. Scheurleer F. Z. & Compagnie, La Haye, 1758

[70] J. Ivory On the astronomical refractions, Philos. Trans. R. Soc. Lond., Volume 113 (1823), pp. 409-495

[71] H. Faye Note sur les réfractions astronomiques, C. R. Acad. Sci., Volume 39 (1854), pp. 381-389

[72] A. T. Young Relations among atmospheric structure, refraction, and extinction, C. R. Phys., Volume 23 (2022) no. S1, pp. 179-212 | DOI

Cité par Sources :

Commentaires - Politique