Samedi 12 février était une belle journée. L'hiver touchant bientôt à sa fin, j'en ai profité pour me rendre dans les Vosges afin de respirer l'air de la montagne encore enneigée. Je prévois un itinéraire long de 18 km sillonnant les crêtes vosgiennes. Ma randonnée en raquettes débute assez tard au pied du Kastelberg, précisément à 15 h 30 : l'aventure sera donc semi-nocturne. La température est proche de -1 °C et, comme le montre la photo ci-dessous prise depuis les pentes du Rainkopf (1305 m), le ciel est voilé par des nuages d'altitude. Il s'agit de cirrostratus à plus de 6 km d'altitude, constitués de cristaux de glace. Le sommet photographié est le Rothenbachkopf (1316 m) que je ne tarde pas à rejoindre. Le manteau neigeux est assez dur mais une petite couche de poudreuse est dans l'ensemble présente suite aux chutes de neige récentes.
Après le sommet du Kastelberg, j'enchaîne ainsi les "les trois Kopf",
successivement le Rainkopf, le Rothenbachkopf et le Batteriekopf. En allemand, kopf signifie tête. Ces sommets culminent à des
altitudes voisines, soit à un peu plus de 1300 m. La photo suivante a été
prise juste avant le coucher de soleil, depuis la pente nord du Schweisel.
On y voit les principaux sommets mentionnés, que je serai amené à franchir
une seconde fois au retour.
Voici une photo immortalisant la descente du soleil à l'horizon, peu avant 18 h locale. On observe encore à cet instant une couche de nuages élevés, bien que le ciel semble s'éclaircir au loin. Le vent souffle sur les crêtes et le ressenti est plutôt froid. Après une pause, je continue un peu en direction du Hundskopf avant de prendre le chemin du retour, la nuit tombante.
La nuit est claire, la Lune est dans sa phase gibbeuse croissante et la neige au sol renvoie bien la lumière. Mes yeux sont de temps en temps rivés vers le ciel. J'ai alors eu la chance d'observer un halo lunaire, que j'ai tenté de photographier avec mon appareil, pas vraiment adapté pour les photos nocturnes. Le rendu est donc moyen, on devine toutefois ce fin halo autour de la Lune, certes bien plus joli en réalité. Ce phénomène optique n'est pas courant, il a pu être remarqué ailleurs en France le même soir. Mais l'observer dans ce décor pendant une randonnée est un véritable cadeau de la nature. On pouvait voir des étoiles scintiller de part et d'autre.
Comment expliquer la présence d'un tel halo ? En fait, ce phénomène est dû à la double réfraction des rayons lumineux provenant de la Lune (éclairée par le Soleil) en traversant des cristaux de glace présents dans la haute troposphère. Notez qu'un halo peut aussi se former de jour directement autour du Soleil. Les niveaux supérieurs de la troposphère doivent être humides, présenter des zones saturées par rapport à la glace. Ici, nous avons effectivement des cirrostratus. La température est très basse aux étages élevés. La structure des cristaux de glace dépend notamment de la température. Pour voir un halo de la sorte, la lumière doit traverser des prismes hexagonaux. Or ces derniers se forment en particulier à des températures inférieures à -25 °C.
Voici un schéma illustrant la réfraction d'un rayon lumineux passant à travers un cristal de glace de forme hexagonale. Le rayon arrive sur une face du prisme avec un angle d'incidence θ1 puis est réfracté suivant la loi de Snell-Descartes. L'angle de réfraction θ2 est inférieur à l'angle d'incidence, car le rayon passe d'un milieu d'indice n a un milieu d'indice n' > n. L'indice de réfraction dépend en toute rigueur des conditions atmosphériques et de la longueur d'onde. La vitesse de la lumière dans l'air étant très peu différente de celle dans le vide, l'indice de réfraction pour l'air avec une précision au centième vaut n = 1,00. Pour la glace, n' est voisin de 1,31 (plus élevé pour le violet que pour le rouge). La lumière blanche est composée de plusieurs couleurs et la déviation d'un rayon varie très légèrement en fonction de la couleur spectrale (associée à une longueur d'onde).
Lorsque la lumière ressort par une autre face latérale du cristal, elle est à nouveau réfractée. En utilisant les notations de la figure, on peut calculer l'angle de déviation final θ du rayon lumineux. Il faut d'abord appliquer la loi de Snell sur chacune des faces latérales où le rayon change de milieu. On en déduit les angles de réfraction θ2 et θ4 exprimés respectivement en fonction des angles d'incidence θ1 et θ3 :
L'angle d'incidence θ3 dépend de l'angle de réfraction θ2 lui-même relié à θ1 par la formule de Snell. De plus, l'angle de déviation θ peut aisément être exprimé en fonction des autres angles : le rayon lumineux est dévié de θ1 - θ2 puis de θ4 - θ3. On peut donc faire les deux remarques suivantes :
En combinant ces expressions avec les résultats précédents, il est finalement possible d'exprimer θ en fonction de l'angle d'incidence initial θ1 et de β = π/3 = 60 °, les indices de réfraction pour l'air et la glace étant connus :
La déviation d'un rayon lumineux dépend ainsi de l'angle d'incidence de départ, et rigoureusement de la longueur d'onde (dont dépend l'indice de réfraction). Les rayons arrivent sur les cristaux dans l'atmosphère avec des angles d'incidence variés. On peut représenter à l'aide d'un tableur la fonction θ = f (θ1) pour des rayons de lumière réfractés émergeant d'un cristal, pour un indice de réfraction dans la glace égal à 1,31 .
Comme on peut le voir, avec un angle d'incidence variant de 25 à 60 degrés, la déviation reste inférieure à 25 degrés. La fonction présente un minimum environ égal à 22 degrés pour un angle d'incidence proche de 41 degrés. C'est la raison pour laquelle on parle de halo de 22 degrés : la lumière réfractée vue sous cet angle constitue la limite intérieure du halo. Entre la Lune et le halo, le ciel demeure un peu plus sombre (aucun rayon réfracté). L'angle de sortie devient grand pour des valeurs élevées de θ1 notamment, mais la concentration de rayons réfractés atteignant un observateur avec un angle supérieur à 25 degrés est plus faible, donc l'intensité du halo diminue graduellement vers l'extérieur et les rayons lumineux déviés selon un angle proche de 22 degrés forment bien la partie la plus visible du halo. Comme d'autre part la déviation dépend sensiblement de la couleur et est minimale pour le rouge, les tons rouges ont tendance à dominer sur le bord intérieur de l'anneau.
Le halo de 22 degrés est aussi appelé "petit halo". Il existe d'autres halos
observables, mais rares et moins bien visibles. Le halo de 46 degrés ou
"grand halo" par exemple est dû à la réfraction de la lumière traversant des
cristaux de glace dont l'orientation conduit des rayons à émerger par l'une
des bases des prismes hexagonaux.