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Les halos lunaires et solaires

Un magnifique halo solaire photographié par Marko Riikonen au pôle Sud le 11 janvier 1999.

Phénomènes météorologiques

Nous allons décrire des phénomènes lumineux que nous n'avons pas souvent l'occasion d'observer dans toute leur étendue sous les latitudes moyennes, à savoir les halos lunaires et solaires et d'autres phénomènes lumineuses.

L'explorateur polaire soviétique Ignatov écrivait en 1958, "Dans le ciel, le disque d'or de la Lune était ombragé par le reflet d'une croix de forme parfaite..."

Ce phénomène lumineux est le halo atmosphérique, qui peut aussi se produire autour du Soleil. Il faut avoir le nez en l'air pour l'observer, bénéficier d'un ciel clair et de conditions météos particulières, des raisons suffisantes pour lesquelles on les observe peu souvent.

Cette étonnante et merveilleuse réalisation de la nature s'explique par un phénomène semblable à l'arc-en-ciel. Il est provoqué par la réflexion et la réfraction de la lumière dans les cristaux ou des aiguilles de glace en suspension dans l'air, c'est-à-dire qu'il prend naissance lorsque des cirrus sont en formation ou lorsqu'il y a du brouillard glacé.

La météorologie a défini plusieurs phénomènes optiques associés au halo :

- Le halo de 9° de rayon et ses variantes impaires

- Le halo de 22° de rayon

- Le halo de 46° de rayon

- Les parhélies (ou parsélènes dans le cas de la Lune)

- L'arc parhélique (ou arc parsélénique dans le cas de la Lune)

- Les parenthélies (ou parensélènes dans le cas de la Lune)

- L'anthélie (ou antisélène dans le cas de la Lune)

- L'arc tangent supérieur

- L'arc de Parry

- L'arc circumzénithal.

Citons séparément la couronne car elle peut apparaître séparément des autres phénomènes..

Logiciel à télécharger : HaloSim 3.6

A gauche, description géométrique du halo solaire et de ses extensions. A droite, simulation du cercle parhélique au dessus d'un arc supérieur. Le grand cercle est centré sur le zénith, le cercle du bas est centré sur le Soleil (ou la Lune). Le Soleil est 60° au-dessus de l'horizon. C'est un phénomène rare. Voici une photo d'un cercle parhélique photographié par L.Gado et un autre cercle parhélique photographié par Phil Torrès à Tambopata, au Pérou.

Le halo de 9°

C'est le plus rare des halos "communs" et donc le moins photographié et dont on parle le moins, mais il existe bien ! C'est un halo circulaire situé à 9° de la Lune. Il peut apparaître à l'intérieur d'un halo de 22° comme illustré ci-dessous.

Le halo de 9° se forme en présence de cristaux pyramidaux présentant une section prismatique centrale. La lumière du Soleil passe entre une face centrale et une face pyramidale opposée. Ces faces sont inclinées de 28° et la déviation minimale est de 9°. Si les cristaux ne sont pas alignés, il se forme un halo circulaire.

Comme tous les halos, en fonction de l'état de l'atmosphère et de la présence plus ou moins importante d'humidité, le halo de 9° peut être plus ou moins large et diffus.

Halos de 9° et de 22° photographiés par Clochette Selene respectivement les 20 et 27 janvier 2024 depuis Marcinelle en Belgique.

Notons qu'il existe également d'autres halos : 18°, 20°, 23°, 24° et 35°. Ils se forment en présence de cristaux pyramidaux dans lesquels les deux faces opposées sont des pyramides, parfois tronquées dont la section centrale présente six faces. Ils sont parfois appelés les "halos à rayon impair" (Odd radius halos, cf. Atmospheric Optics).

Le halo de 22° ou petit halo

C'est le plus commun. Il se manifeste de temps en temps dans les régions des latitudes moyennes (30-50°) à l'approche d'un front, mais il est surtout visible dans les régions polaires. Il s'observe plus rarement que le halo solaire. Il forme un anneau lumineux de plus ou moins 1.5° d'épaisseur autour du Soleil ou de la Lune. Cet anneau lumineux paraît blanc pâle, parfois irisé de rouge à l'intérieur et de bleu à l'extérieur. Cet anneau peut être partiel (un arc). Quant à sa formation, elle ressort de la théorie de l'optique classique.

Des halos solaires. A gauche, illustration d'un halo de 22° observé 9 avril 1583 à Nuremberg. L'auteur écrit : "Des soleils secondaires ainsi que au-dessus de ces soleils un grand et bel arc-en-ciel est apparu, touchant les deux soleils à côté. Et encore plus haut, au milieu du ciel, vers le déclin, on peut voir deux autres arcs-en-ciel plus petits, refermés l'un sur l'autre...". Illustration imprimée par Matthäus Rauch. A sa droite, des halos de 22 et 46° avec parhélie observés le 25 janvier 1593 à Wittenberg. Illustration imprimée par Georg Lang. A droite du centre, un halo observé les 12 et 13 février 1593 à Nuremberg. Illustration imprimée par Lucas Mayer. A l'extrême droite, un halo observé le 22 mars 1615 à Nuremberg. On reconnait les halos de 22 et 46°, les parhélies, l'arc tangent supérieur et l'arc circumzénithal. Illustration imprimée par Johann Pfann.

Le halo de 22° (de rayon) se forme lorsque la lumière du Soleil ou de la Lune se réfracte à travers des cristaux de glace en suspension dans l'air de forme cylindrique à base hexagonale ou de plaques hexagonales.

Ces types de cristaux se forment à partir de la vapeur d'eau lorsque la température descend entre -5 et -25°C, leurs tailles atteignant 50 à 100 microns. On peut observer ce halo par temps froid lorsque le ciel est légèrement brumeux ou envahi de cirrostratus. Il est donc très commun dans les régions nordiques.

Le paraselene ou halo lunaire. Ci-dessus à gauche, un quadruple halo : des halos lunaires de 22° et de 46° complétés par un arc infralatéral et un arc circonscrit (cf. la légende). A droite, un halo de 22°. Ci-dessous à gauche, un halo lunaire de 22°. Au centre, un halo de 22° photographié en mars 2018 au-dessus de Pontypridd Common, au Pays de Galles. Les pierres levées remontent au XVIIIe.s. A droite, halo lunaire observé le 15 juin 1911 par Scott et son équipage lors de sa dernière expédition en Antarctique. On reconnaît les halos de 22 et de 46°, les piliers solaires (traits verticaux) et l'arc tangant supérieur. Documents Dani Caxete, Juan Carlos Casado, Univ.Mainz/Marc Hellwig, Alyn Wallace et NOAA Photo Library.

Bien qu'un nuage glacé soit constitué de cristaux orientés aléatoirement, ceux-ci réfractent néanmoins la lumière sous un angle constant de 22°. En effet, deux faces adjacentes d'un cristal hexagonal forment entre elles un angle de 60°. Un rayon pénétrant par une des faces ressort en tant que rayon émergeant, formant avec le rayon incident un angle appelé "angle de déviation". Lorsque l'angle incident augmente de 0 jusqu'à 90° (perpendiculaire à la surface), l'angle de déviation décroît de façon constante et atteint une valeur minimale (22°), soit augmente.

Le bord intérieur du halo, quelquefois coloré (bleu, rouge) est net et correspondant à la déviation minimale, tandis que la zone extérieure plus diffuse est formée des rayons qui traversent le cristal de glace sous d'autres angles.

Comment reconnaître un halo de 22° ? Il vous suffit de tendre le bras et de masquer la source lumineuse avec la base du poignet. Par rapport à l'oeil, l'angle formé par le bas du poignet et le sommet du pouce levé sous-tend un arc de 22°. On peut aussi utiliser l'angle entre le petit doigt poignet fermé et le pouce levé.

A gauche, parhélies (sundogs) formés à l'extérieur du petit halo lunaire par les cristaux de glace hexagonaux photographié par Philip I. Anderson au Kansas. La plupart du temps, les cristaux de glace formant les piliers lumineux sont également de forme hexagonale. Document Weatherwise. Dessin T.Lombry. A droite, utilisation de la main pour évaluer les distances angulaires.

Le grand halo ou halo de 46°

Il est également dû aux phénomènes de réflexion et de réfraction. Cependant dans ce cas-ci le rayon incident passe par la base du prisme et l'une des faces. Il est moins fréquent que le halo de 22° et également plus pâle.

Autres phénomènes lumineux

D'autres phénomènes peuvent accompagner les voiles de cirrus et de cirrostratus.

Les parhélies

Les "faux soleils" ou parhélies sont les phénomènes les plus connus. Ils sont provoqués par la réfraction de la lumière à travers des plaquettes de glace minces, plates et à six côtés en suspension dans l'air au niveau des cirrus ou des cirrostratus. Ils se différencient des halos par le fait que les cristaux qui les composent ont leur face plane orientée parallèlement à l'horizon alors que ceux formant les halos peuvent prendre n'importe quelle orientation. Ils se forment uniquement le long du cercle parahélique, c'est-à-dire généralement à 22° à gauche et/ou à droite du Soleil.

La taille des cristaux des parhélies dépasse 30 microns et est supérieure à celle formant les halos. Vu leur taille plus importante et le fait qu'ils sont tous orientés de la même façon (position de chute verticale) ils forment des points d'irrisations très brillants sur le petit halo ou juste à l'extérieur de celui-ci. Ce phénomène apparaît également avec le grand halo mais il est beaucoup plus rare.

Les parasélènes

Les parasélènes sont produits par des cristaux de glace en présence de cirrus ou de cirrostratus. Ils se forment uniquement sous la lumière de la Lune. Ils apparaissent comme des points lumineux irrisés similaires aux parhélies mais moins brillants le long du cercle parasélénique, c'est-à-dire à gauche et à droite de la Lune, à une distance angulaire de 22° (ou 46°).

De magnifiques halos solaires complets avec arc de Parry. Ci-dessus à gauche, une photo prise par Joshua Thomas à Red River au Nouveau Mexique (USA) le 9 janvier 2015 au lever du Soleil. Plus de détails sur Earthsky. A droite, une photo panoramique (~180°) prise début décembre 2023 près de Füssen en Bavière, en Allemagne, par Bastian Werner. Les petits grains sont des flocons de neige et des gouttes d'eau glacée - du brouillard givrant - en suspension dans l'air. Ci-dessous à gauche, une photo prise au-dessus du delta de Coleville River au nord de l'Alaska le 27 mars 2017 à 12h30 locale par James Helmericks. Au centre, une photo prise dans les Alpes suisses fin novembre 2019. Document Michael's Beers & Beans. A droite, une photo prise fin 2010 au nord de Stockholm par Peter Rosen. Le halo de 46° est à peine visible.

Arc circumzénithal et arc tangent

L'arc circumzénithal est un phénomène intéressant mais assez rare. Il ne peut apparaître que si la hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon est inférieure à 32.2°. Au départ l'arc circumzénithal apparaît comme un point brillant au zénith, puis il se transforme en un arc-de-cercle coloré au fur et à mesure que le Soleil descend vers l'horizon.

Il existe également des arcs-de-cercles juste au-dessus et en dessous du halo de 22° nommés "arc tangent supérieur", "arc tangent inférieur" et "arc de Parry", nom de l'explorateur britannique qui les décrivit le premier en 1821. Les arcs tangents supérieurs et inférieurs sont créés par la réfraction de la lumière du Soleil (ou de la Lune) à travers des cylindres de glace hexagonaux presque horizontaux.

Ci-dessus à gauche, un halo solaire complet de 46° avec arc de Parry photographié en Antarctique par Bernd Schumacher. Au centre, arcs parhéliques et halo pâle de 22° photographiés le 5 décembre 2000 au pôle Sud par John Storey. A droite, des parhélies combinés à un pilier ou colonne solaire photographiés en Suède par Mats Mattsson.

L'arc circumhorizon

L'arc circumhorizon est un grand halo qui apparaît parallèlement à l'horizon lorsque le Soleil se trouve à plus de 58° au-dessus de l'horizon. Il ressemble à un segment droit arc-en-ciel. Il est toujours situé sous le Soleil et est environ deux fois plus éloigné du Soleil que le halo de 22º. L'arc lui-même peut être est assez vaste et s'étendre sur une partie importante du ciel.

Arc circumhorizon photographié au Canada, près de Fredericton, NB (46°N), durant l'été 2003 par Marc Sorensen.

Il est également visible en altitude et depuis un avion volant entre des nuageuses épars ou au-dessus des couches nuageuses où le phénomène devient encore plus étrange car l'arc-en-ciel se projète soit entre deux deux couches de nuages soit avec le sol en arrière-plan (cf. Google Images).

L'arc circumhorizontal apparaît comme un segment arc-en-ciel continu ou, lorsque des cirrus sont présents, sous forme fragmentée comme illustré à gauche. Il peut-être pâle ou très coloré. Si le ciel est peu couvert, les teintes peuvent être saturées et très contrastées devant le ciel bleu.

La visibilité de l'arc circumhorizon dépend de la latitude de l'observateur. Il est plus souvent visible sous les latitudes tropicales et moyennes (jusqu'à 40° de latitude) en été et devient rare aux latitudes européennes et quasi inexistant à partir de 55° de latitude.

On ne peut pas le confondre avec un arc circumzénithal  qui, comme son nom l'indique, est courbé et n'est visible qu'au zénith.

En revanche, l'arc circumhorizon peut être confondu avec l'arc infralatéral du Soleil, c'est-à-dire la partie inférieure du halo solaire de 22° (voir plus haut). En effet, alors que l'arc circumhorizon reste parallèle à l'horizon et donc grosso-modo rectiligne, l'arc infralatéral est incurvé vers le Soleil et donc vers le haut à partir de l'horizon. Seule l'observation visuelle permet de distinguer ces deux phénomènes, car les distorsions des objectifs photographiques peuvent souvent donner l'impression que l'arc circumhorizontal est également courbé.

Le pilier

Le pilier ou colonne lumineuse se manifeste par temps froid en présence de neige ou de cristaux de glace en suspension dans l'air et d'une forte lumière, le Soleil, la Lune, l'éclairage public ou celui des véhicules. Les cristaux de glace formant les piliers lumineuses se forment généralement entre -5 et -8°C ou sous -25°C. Ils ont une forme plate hexagonale ou en colonne, ce qui explique que leur surface réfléchisse facilement la lumière dans la direction de l'observateur.

Etant en suspension dans l'air, les cristaux plats tombent comme des feuilles mortes tandis que les gros cristaux (entre 20 nm et 1 mm de longueur) tombent avec leur grand axe parallèle au sol, pouvant parfois tourner sur eux-mêmes comme les pales d'un hélicoptère. Ils peuvent donc scintiller sous la lumière. Lorsque les cristaux sont parfaitement alignés avec le sol, ils forment une colonne étroite et brillante. S'ils dévient de leur alignement, la colonne s'élargit et peut même se détacher de la source lumineuse.

Les piliers apparaissent lorsque le ciel est généralement un peu voilé (l'horizon est voilé mais les étoiles peuvent être visibles) ou couvert d'une couche de nuages élevé (cirrostratus), moyens (altostratus) ou bas (stratocumulus) comme on le voit ci-dessous.

A lire : Light Pillars, Islandnet

A gauche, piliers ou colonnes lumineuses photographiées par Mike Reva en janvier 2012 à Orehovo, à 70 km au nord de Saint Pétersbourg en Russie par -27°C au moyen d'un APN Canon EOS 5D Mark II équipé d'un objectif de 20 mm f/4. Exposition de 30 secondes à 2500 ISO. Au centre et à droite, des piliers photographiés à Fairbanks en Alaska par Allisha Lynn la nuit du 22 janvier 2015 avec un APN Canon EOS 6D. Les sources sont les lumières artificielles (habitations et lampadaires).

Les colonnes lumineuses s'élèvent verticalement sur 5 à 10° au-dessus ou en dessous des sources lumineuses. Il est rare qu'elles apparaissent à plus de 20° au-dessus du Soleil. Dans le cas des lumières artificielles, comme les arcs-en-ciel, à mesure qu'on s'en approche (ou que le véhicule approche), les colonnes deviennent plus larges et s'élèvent dans le ciel. Si elles sont très brillantes et diversement colorées, le spectacle peut être impressionnant.

Lorsque la colonne, le cercle parhélique et le petit halo apparaissent simultanément, il y a formation d'une croix lumineuse qui, dans de nombreux récits anciens était considérée comme "un signe de Dieu".

La couronne

La couronne présentée ci-dessous à gauche forme des anneaux colorés d'un rayon d'environ 10° autour du Soleil ou de la Lune. Elle peut aussi apparaître autour de l'ombre portée par un objet ou une personne sur du brouillard dense ou des nuages, y compris en altitude, autour de l'ombre des avions projetées sur des nuages. Ce phénomène est provoqué par la diffraction de la lumière par de petites gouttes d'eau ou de glace à proximité de la direction du Soleil (ou de la Lune).

Halo, couronne, arc et parasélènes

Enfin, en de très rares occasions (et donc les photos sont très rares aussi), on peut observer ensemble un halo lunaire de 22°, une couronne, des arcs et des parasélènes comme illustré ci-dessous au centre.

A gauche, une couronne lunaire photographiée par Robert Morisan le 9 septembre 2014 à 00h09 TU en France au moyen d'un APN Canon EOS 400D muni d'un objectif de 55 mm f/5.6. Exposition de 0.5 s à 800 ISO. Les couleurs sont légèrement accentées car en réalité la couronne est plus terne. A droite, un phénomène très rare combinant un halo lunaire de 22°, une couronne, des arcs paraséléniques et des parasélènes. Photo prise par Brent Mckean au Manitoba (Can.) le 15 février 2020 vers 4h du matin. Il s'agit de l'empilement de trois images.

Photographie

La photographie de ces phénomènes lumineux atmosphériques est facile puisqu'ils brillent déjà d'eux-mêmes et semblent statiques. Toutefois, ils évoluent et peuvent pâlir en quelques minutes. Il suffit donc de saisir l'occasion, d'avoir un appareil photographique sous la main et de surveiller l'état du ciel. Avoir "la tête en l'air" est ici recommandé !

Notons que dans le cas des halos et des piliers, le ciel n'est jamais limpide et même parfois couvert d'un voile de cirrostratus ou même de quelques nuages bas. Les détails seront bien sûr plus apparents si le ciel est sombre et le voile nuageux peu épais. En revanche, il faut un banc épais de cirrus pour que l'arc circumhorizon soit très brillant. Dans le cas des piliers, l'effet est plus spectaculaire soit lorsque le Soleil où la source lumineuse est près de l'horizon soit de nuit en périphérie des agglomérations éclairées.

Vu la taille du grand halo et des arcs, une optique grand-angle couvrant un champ de 60 à plus de 120° est nécessaire. Pour le halo et le pilier solaires, la sensibilité du photocapteur peut être limitée à 100 ISO en raison de l'éclat du Soleil. Dans le cas du halo lunaire et de la couronne, la sensibilité peut varier de 100 à 400 ISO. Sur les appareils haut de gamme, on peut augmenter la sensibilité jusqu'à 1600 ISO sans perte de résolution. En général une exposition instantanée suffit mais on peut prendre une petite assurance en prolongeant l'exposition durant 1 seconde si le phénomène est pâle ou se déroule la nuit.

A gauche, un pilier photographié par l'auteur le 11 novembre 2022 au coucher du Soleil à Wépion, en Belgique, avec un APN Canon PowerShot S120. Exposition de 1/50 s à 100 ISO. Le phénomène dura moins de 10 minutes. Document T.Lombry. A droite, un pilier solaire photographié au-dessus du fjord de Fensfjorden, en Norvège par Thorleif Rødland.

Rappelons que si la Lune ou le Soleil nous semble très grand à l'oeil nu, ils peuvent être cachés par un confetti tenu à bout de bras... C'est donc de très petits sujets à photographier. Avec un objectif de 50 mm par exemple, l'image de la pleine Lune ne fait que 0.5 mm sur le photocapteur, pas beaucoup plus qu'une tache.

Pour éviter que la Lune ou le Soleil ne surexpose les plus fins arcs tangents au halo, il est conseillé de l'occulter. La manière la plus esthétique est d'utiliser un arbre ou un objet (maison, église, monument, lampadaire, instrument) situé à l'avant-plan dont la largeur n'excède pas celle de votre main portée à bout de bras (env. 10°). Mais en fonction de l'effet esthétique désiré, vous pouvez essayer différentes compositions d'images, d'autant que ce phénomène ne se produit pas très souvent.

Trois compositions originales autour du halo solaire. A gauche, une photo réalisée par Pierre-Paul Feyte en France. Au centre, un halo complet photographié par Brent Mckean au Manitoba (Can.) en 2017. A droite, zoom sur les arcs internes (arc de Parry, arc tangent supérieur et arc parhélique) d'un halo complet photographié par Lisa Beal de l'Université de Rice au cours d'une expédition en Antarctique.

Pour la photographie des piliers, étant donné qu'ils sont peu élevés (sauf aux pieds des lumières) et localisés, une optique standard offrant un champ de 50° suffit car une vue générale prise au grand-angle risque de noyer le phénomène dans le paysage mais peut en revanche donner une bonne idée générale de l'atmosphère d'ambiance. L'usage d'un zoom transtandard (par ex. 35-70 mm) est une bonne alternative pour cadrer au mieux le sujet. Vous pouvez aussi assembler une image panoramique en photographiant divers azimuts.

Vous pouvez avantageusement utiliser un APN ou même un smartphone de dernière génération. Utilisé en mode automatique, vous avez toutes les chances de réussir de très belles images correctement exposées. Sinon il suffit de mesurer la luminosité d'une zone légèrement plus sombre que l'ensemble pour éclairer le sujet, sans pour autant le surexposer en donnant à la Lune ou au Soleil une taille disproportionnée. Vérifiez que la mise au point soit faite sur l'infini.

Des piliers photographiés la nuit respectivement à Vyazniki en Russie en 2018 (au-dessus à gauche), à Nesbyen en Norvège (à droite), en 2016 (ci-dessous à gauche) et à droite, un exemple rare de piliers "flottants" se réflétant en altitude au-dessus d'un champ d'éoliennes situé sur l'île Parisienne (à l'est du Lac Supérieur) photographiés depuis Whitefish Bay à Paradise dans le Michigan par Vincent Brady le 16 octobre 2018.

Enfin, sélectionnez uniquement la température de couleur du jour (5500-6500°), même la nuit, car la lumière artificielle (chaude ou froide) apporte une dominante par nature "artificielle" et parfois inesthétique (jaune, verte, majenta ou bleue) qui estompera certains dégradés de couleurs.

Bonne chance !

Pour plus d'informations

Atmospheric Optics dont les phénomènes peu fréquents

HaloSim 3.6 (simulateur de halo)

Atmospheric Phenomena

Polar Image, Pekka Parviainen

Light Pillars (Mats Mattsson, Islandnet)

501 North Photography (Brent Mckean, Canada).

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