CHAPITRE VIL
PARBÉLIES, PARASéLÈNES, CERCLES ENTOURANT ET TRAVERSANT LE SOLEIL. — couronnes; COLONNES; PHÉNOMÈNES DIVERS.
Le panorama des phénomènes optiques de 1 air nous amène maintenant à Tun des eCFets les plus singuliers et les plus compliqués de la réflexion de la Lumière dans le monde atmosphérique.
On désigne sous le nom de halo (â^<oç, area, aire) un cercle brillant qui^ dans certaines conditions atmosphériques^ entoure le soleil de toutes parts^ à une distance de 22 et de 46 degrés ; et Ton nomme parhélies ou faux soleils (mfàj auprès^ et "^Xto;, soleil) des taches lumineuses ordinairement colorées en rouge ^ en janne et en verdâtre^ qui se montrent à sa droite et à sa gaacbe^ à la même distance de 22 degrés environ^ simulant une ressemblance^ d'ailleurs assez grossière^ avec Tastre lui-même. Les mêmes apparitions peuvent se produire autour de la lune ; il est même plus facile de les y observer^ la douceur tempérée de la lumière lunaire permettant d'examiner sans fatigue les zones qui l'environnent : ces taches lumineuses prennent alors le nom de paroMélènes (inepà, oùc^^m) ou de fausses lunes. Ces deux cas ne différent entre eux que par l'intensité de l'astre qui leur donne naissance; c'est une différence pareille à celle que l'on peut observer entre les arcs-en-ciel ordinaires et ceux qui se produisent à la lumière de la lune.
Outre le halo et les deux parhélies^ il peut encore se former sur le ciel une multitude d'autres cercles^ arcs^ bandes ou taches lu
mineuses^ d'un éclat plus ou moins considérable et qui alors accompagnent le halo.
Tout le monde sait que, lorsqu'on présente un prisme triangulaire de verre à l'action des rayons du Soleil, une partie de la lumière incidente se réfléchit sur les faces du prisme comme sur un miroir, et qu'une autre partie pénètre dans son intérieur et en sort suivant une direction difTérente de sa direction primitive, en produisant une image colorée.
C'est sur ce fait que Mariotte, dont nous avons déjà parlé, a basé l'explication du phénomène qui va nous occuper.
La cause des halos, suivant lui, réside dans des filaments de neige en forme de prismes triangulaires équilatéraux. Ces prismes peuvent être orientés de toutes les manières possibles dans l'Atmosphère : parmi eux, il s'en trouve un certain nombre tournés de manière à produire le minimum absolu de déviation sur les rayons qui, pénétrant par une des trois faces latérales des prismes, sortent en traversant Tune des deux autres. Mariotte a démontré qu'à une distance angulaire du soleil égale à cette déviation minimum, qui est de 22 degrés, il doit se former un cercle brillant : c'est le halo ordinaire. Si, par suite d'une cause quelconque, tous les prismes deviennent verticaux, le halo n'a plus lieu, mais il est remplacé par les deux parhélies.
Les arcs tangents qui se voient près du halo ordinaire, le halo de 46 degrés de rayon, et le cercle parhélique, ont été expliqués par Young, sur 1 hypothèse que, dans certains cas, les prismes peuvent se placer de manière que leurs axes soient horizontaux.
Il y a vingt ans, le laborieux Bravais a consacré à l'analyse de ces phénomènes un travail synthétique qui nous servira de guide ici. La théorie de ces phénomènes est assez complexe et réclame une certaine attention pour être bien comprise. Voltaire avouait qu'il lui fallait lire deux fois les mêmes choses pour les bien saisir; c'est peut-être ici le cas de l'imiter, — pour ceux d'entre nous, toutefois, qui ne se croient pas supérieurs en perspicacité au malin philosophe de Ferney.
Lorsqu'un halo se dessine sur le ciel, on aperçoit ordinaire* ment de légers nuages, appelés cirrus (avec lesquels nous ferons bientôt connaissance), et c'est sur eux que semble se peindre le météore. Quelquefois aussi ces cirrus sont tellement fondus en une seule misse que l'œil ne peut en saisir les contours; une vapeur blanchâtre occupe le ciel principalement dans la partie qui avoisine l'astre du jour; la teinte bleue de l'Atmosphère a disparu, et se
troare remplacée par une sorte de léger brouillard^ donl 1 éclat est parfois intolérable pour Toeil. Mais ces nuages filamenteux de neige disséminée dans les hauteurs de lair sont fort éloignés de nous^ de sorte qu*il était assez difficile de se prononcer sur leur véritable nature .* d*où Ton Toit que Ton a pu ignorer pendant longtemps le mode de production du météore^ et c'est là certainement Tune des causes pour lesquelles les halos et parhélies ont été réputés autrefois des phénomènes merveilleux^ signes, de la colère céleste, présages de la mort des princes^ etc.
11 ne suffit pas que les nuées des hautes couches de TÂtmosphère soient formées de particules neigeuses^ pour que le phénomène du halo se présente; il faut encore les deux conditions suivantes. Le nuage doit avoir une épaisseur convenable; trop fai. ble, Ite halo ne se produirait pas; trop grande^ la lumière serait interceptée. De plus il faut que la cristallisation de Teau se soit opérée avec lenteur^ et que le vent ne l'ait pas troublée; avec une cristallisation rapide et par conséquent confuse^ les aiguilles perdent leur transparence^ les angles des faces la constance de leurs valeurs, les surfaces d'entrée ou de sortie leur poli. D'ailleurs, cette apparition est moins rare qu'elle le parait. On peut estimer que, dans nos climats^ le nombre des journées qui présentent le phénomène^ au moins à l'état rudimentaire, est de 50 par an, et dans le nord de l'Europe ce nombre est plus considérable encore.
La forme la plus simple des cristaux de glace, de neige ou de givre, celle qui se montre dans la cristallisation commençante, est celle d'un prisme droit, ayant pour section un hexagone régulier, et terminé par deux bases perpendiculaires aux faces latérales, lesquelles sont des rectangles.
Ces formes simples se présentent cependant rarement dans les chutes de neige : cela tient à ce qu'avant d atteindre le sol, des cristallisations latérales dues à la condensation de la vapeur dans les couches inférieures viennent se surajouter au noyau primitif.
Le prisme droit hexagonal suffit pour toutes les taches ou courbes dont l'apparition a été mise hors de doute par l'observation.
le halo, avec tous ses aspects, s'explique en admettant que des cristaux de neige ou de glace tombent lentement dans une atmosphère calme.
U est donc dû simplement à la réfraction des rayons solaires »ur des cristallisations de glace. La disposition des prismes de gkee est la cause de la diversité des apparences. On peut partager en trois cas la situation de ces aiguilles de glace dans TAtmo-
sphère : 1 * prismes à orientation indifférente ; 2* prismes à aies verticaux; 3^ prismes disposés horizontalement.
Pour nous rendre compte de la production des phénomènes comme nous Tayons fait pour Farc-en-ciel^ commençons par le premier cas, et voyons ses effets.
Si Ton fait tourner un prisme sur lui-même^ on voit le rayon qui sort du prisme faire un angle variable avec celui qui entre dans le prisme. Mais il y a une certaine position dans laquelle le rayon qui entre et le rayon qui sort font entre eux le plus petit angle possible : c*est le minimum de déviation. Or dans cette position^ on peut continuer de tourner le prisme un peu plus ou un peu moins^ sans que la direction du rayon réfracté change sensiblement.
Si un prisme de ce genre tourne sur lui-même dans l'Atmosphère^ il en part continuellement des rayons qui arrivent à notre œil pour disparaître immédiatement après; mais, d'après la remarque que nous venons de faire, il est évident que le rayon frappera Toeil le plus longtemps possible quand sa déviation atteindra son minimum. Si le nombre de ces prismes est trèsgrand, nous recevrons en même temps les rayons réfractés par un prisme au moment où ceux de Tautre disparaissent^ de sorte que Timpression sur notre œil sera persistante, quoique les rayons ne lui soient pas envoyés par les mêmes cristaux.
Un rayon solaire pénètre dans un prisme triangulaire par la face  (fîg. 73) et subit une déviation. Sa partie violette sort par la face B et vient atteindre Tceil de Tobservateur situé en 0. Un autre prisme C, placé plus près de la direction OS du soleil, en verra les rayons rouges qui sont les moins déviés, de sorte qu en définitive le cône passant par A sera violet, le cône passant par C rouge, et la zone intermédiaire colorée des divers rayons décomposés.
La réfraction des rayons solaires produira donc tout autour de Tastre, et à la même distance, une série d'impressions lumineuses. La déviation est de 22 degrés environ, et n'est pas la même pour toutes les couleurs; le calcul, d'accord avec l'observation, donne 21^ 37^ pour le rouge, qui est la couleur la moins réfrangible, 2V 48' pour le jaune, 2V 5T pour le vert, 22* itf pour le bleu, et 22* W pour le violet.
Ce cercle de 22* de rayon qui se forme ainsi, autour du soleil et de la lune, est le halo ordinaire, qui se présente le plus fréquemment. Le rouge est en dedans ; puis on remarque l'orangé,
le jaune, le vert; mais ces nuances vont en s'affaiblissant, parce qu'elles sont lavées par l'influence des prismes qui ne sont pas dans la position de déviation maximum^ et c'est le cercle intérieur rouge qui reste le plus apparent.
Comme le soleil n'est pas un simple point lumineux, mais que chacune des parties de son disque concourt à la production du phénomène, cette circonstance contribue à mêler encore plus entre elles les diverses couleurs; aussi ne sont-elles jamais liien nettes, et le plus souvent le halo se présente sous la forme d'un anneau brillant, offrant une teinte rousse sur son côté interne, de 2 à 3
Flg. 73. — Tbéorie du halo.
degrés de largeur, entourant de toutes parts une aire circulaire otwcure, dont le soleil occupe le centre.
Par un effet d'optique bien connu, un spectateur non prévenu d'avance attribuera volontiers au halo une forme elliptique, en ovale allongé et à grand axe vertical ; mais cette illusion, que fait naître aussi l'arc-en-ciel lorsqu'on le voit complet, disparaît devant des mesures angulaires. C'est par suite d'une cause pareille que le halo paraît se rétrécir à mesure que l'astre s'élève, de même que la lune perd à une certaine hauteur les proportions gigantesques qu'offrait son disque au moment du lever.
Outre le halo de 22 degrés de rayon, on en observe aussi un
second dont le diamètre parait sensiblement égaler deux fois celui du précédent.
Celui-ci est produit par la réfraction de la lumière à travers les angles dièdres de 90 degrés que les faces latérales des prismes font avec les bases^ de la même manière que les angles de 60 degrés produisent le halo ordinaire. Gomme ce dernier^ il se compose d'anneaux successifs^ dont le premier est rouge: c'est le plus rapproché du soleil. Mais^ par suite d'une superposition de couleurs pareille à celle qui se produit dans le halo de 22 degrés^ on ne voit guère qu'un anneau rougeàtre sur son côté interne et jaunâtre au milieu^ tandis que le côté externe paraît blanchâtre et va en se fondant d'une manière vague avec l'illumination générale de l'Atmosphère. La largeur totale de ce halo est assez considérable; elle embrasse environ 3 degrés^ entre 45 et 48 degrés de distance du soleil^ en y comprenant la lumière blanche extérieure qui le borde.
Ces deux cercles sont donc formés par la réflexion de la lumière sur les prismes de glace orientés dans tous les sens. Voyons maintenant ce que peuvent produire les prismes placés verticalement.
Lorsque la réflexion de la lumière s'opère dans les angles dièdres de 60 degrés^ que forment entre elles les six faces des prismes de glace tombant verticalement^ il y ^i production de deux parhélvsj l'un à droite^ l'autre à gauche du soleil^ et situés tou% deux à la même hauteur que l'astre éclairant. Pour se rendre compte de ce fait^ il faut d'abord poser en principe que l'illumination produite par un groupe de prismes à axes verticaux^ mais tournés d'ail* leurs de toutes les manières possibles quant à l'orientation de leurs faces latérales^ est pareille à celle que donnerait un prisme unique tournant rapidement autour de son axe. On voit en effet que^ dans ce mouvement^ le prisme passe successivement par toutes les positions compatibles avec la verticalité de l'axe.
Lorsque le soleil est à l'horizon^ la distance à laquelle ces images se forment est précisément l'angle de déviation minimum, en d'autres termes, le rayon du halo ; si celui-ci et les parhélies se montrent à la fois, ces derniers paraissent situés précisément sur la circonférence du halo, et y occupent une étendue en hauteur égale au diamètre du soleil. Les diverses teintes sont ici plus pures que dans le halo : le jaune est bien distinct, et même le vert; quant au bleu, il est très lavé et à peine visible; le violet, recouvert par les couleurs précédentes, est trop pâle pour être aperçu; le tout se termine par une queue de lumière blanche,
quelquefois peu apparente, mais pouvant atteindre une longueur de tO à 20 degrés, et dirigée à l'opposite du soleil parallèlement à l'horizon: cette dernière lumière est due aux prismes dont la position s'écarte considérablemenl de celle qui correspond à la déviation minimum.
Lorsque le soleil s'élève au-dessus de l'horizon, les rayons lumineux traversent les prismes, en se mouvant suivant des plans obliques, et la plus petite des déviations qui se produisent pendant la rotation est supérieure au minimum absolu correspondant au cas du soleil horizontal : d'où l'on voit que les parhélies doivent se dégager lentement de la circonférence du balo^ à
Ftg. 74. — Halo obserrt en Norvège.
mesure que la hauteur s'accroît; mais d'autre part^ comme le halo a une laideur assez considérable et de prés de 2 degrés (la lumière blanche qui le borde à l'extérieur y étant comprise), les parhéliea n'en sont complètement séparés que lorsque le soleil a atteint une élévation de 25 à 30 degrés.
On démontre par le calcul que la formation des parhélies est impossible dès que la hauteur du soleil atteint 60 degrés.
Les parhélies sont quelquefois extrêmement brillants, et leur éclat peut alors jusqu'à un certain point être comparé à celui du soleil lui-même; on comprend dès lors que chaque parhélîe puisse devenir à aou tour l'origine de deux autres, qui seront des parhélies de parhélies, ou des parhélies secondaires.
L'effet produit par la ré&action de la lumière dans les angles de
90 degrés^ qui donnent le grand halo^ est plus remarquable encore. Les rayons solaires^ arrivant obliquement sur la base supérieure du prisme^ pénètrent dans son intérieur et sortent par Tune de ses faces verticales.
Si Ton imagine^ comme nous l'avons déjà fait pour les parhélies^ que le prisme ainsi frappé des rayons solaires sur sa base supérieure vienne à tourner rapidement autour de son aie^ on peut démontrer par le calcul que la lumière émei^ente se développera suivant une portion de cône droit à axe vertical ; d*oii il est ensuite facile de conclure que le phénomène optique correspondant sur la sphère céleste^ sera un arc lumineux parallèle à rhorizon^ et situé à une grande élévation au-dessus du soleil.
L*arc qui se produit ainsi et que Ton peut appeler arc tangent supérieur du halo de 46 degrés, ou plus brièvement arc circumzéniihaly mérite une mention particulière; car c'est sans contredit la plus remarquable de toutes les apparitions qui peuvent accompagner le halo ; la vivacité de ses teintes^ la distinction de ses couleurs, la netteté avec laquelle ses bords^ ainsi que ses limites extrêmes, se détachent sur le ciel, en font un véritable arc-en-ciel. Des anneaux successifs qui le composent, celui de teinte rouge est le plus rapproché du soleil; le violet est sur la partie concave de l'arc et du côté opposé; la largeur des divers anneaux est à peu près la même que dans Tarc-en-ciel, et un p**^ moindre par suite d'une illusion qui tient à la proximité du :2^nith.
Lorsque le halo de 46 degrés se dessine sur le ciel, l'arc circumzénithal paraît ordinairement le toucher à son point le plus élevé, le rouge de l'arc étant là en contact avec le rouge du halo, l'orangé avec l'orangé, et ainsi de suite pour les autres couleurs; mais très-souvent Tare circumzénithal se montre sans le halo de 46 degrés, de même que les parhélies peuvent paraître sans le halo de 22 degrés^ quoique la même espèce d'angles dièdres leur donne naissance.
Il résulte de l'ensemble des observations faites sur cet arc qu'il ne se montre jamais dès que la hauteur du soleil est inférieure à 12 degrés, ou supérieure à 31 degrés.
On calcule encore que les prismes en tombant et tournant dans la verticale, peuvent réQéchir le soleil en dessinant sur la sphère céleste une bande lumineuse horizontale, faisant le tour complet de l'horizon, et passant par le centre même du soleil. Comme la réflexion spéculaire ne sépare pas les couleurs qui composent la lumière blanche, ce cercle devra paraître complètement blanc,
et ta lai^ur apparente sera égale au diamètre du soleil. Telle est l'origine du cerele blanchâtre que l'on désigne bous le nom de eercle parhélique. C'est sur sa circonférence que se montrent toujours les parhélies ordinaires, ainsi que les parbélies secondaires situés à eoTiroD 45 degrés du soleil : de là sa dénomination.
Quelquefois les rayons solaires éprouvent deux réflexions successives sur les foces verticales de l'un de nos prismes. On voit alors à 120 degrés du soleil une image blanche plus ou moins diffuse qui a reçu le nom de paranthélie.
Les bases horizontales des cristaux de glace réfléchissent aussi la lumière solaire, mais en renvoyant ses rayons vers le haut, dans
Fig. 7a. — Le Soleil rinécbi pir l«i nuages, ou pseudhélie.
Doe direction qui ne permet pas à l'observateur de les recevoir. Il faudrait pour cela que celui-ci fût placé au sommet d'une montagoe escarpée, ou dans la nacelle d'un aérostat, et que de là il dominit le nuage à particules glacées. On accordera sans peine que ces conditions doivent se trouver bien rarement réunies. Elles se sont réalisée» pour MM. Barrai et Bixio le 27 juillet 1850. L'image du soleil ainsi réfléchie paraissait presque aussi lumineuse que le soleil lui-même (fig. 75}. Bravais a proposé de désigner ce remarquable et si rare phénomène sous le nom de pseudhélie.
Enfin, ajoutons que les prismes de glace disposés horizontale' ment dans l'Atmosphère donnent naissance, par des réflexions et
réfractions analogues aux précédentes^ aux arcs tangents qui se montrent souvent de chaque côté du halo.
Puisque ce complexe phénomène optique n^est dû qu'aux jeui delà lumière du soleil (ou de la lune) sur les particules glacées des nuées atmosphériques^ il est évident que sa disposition générale varie suivant la hauteur de lastre au-dessus de Thorizon. Quatre positions surtout sont très-distinctes^ et nous donneront Timage théorique de tous les halos possibles. Voici^ d*après Bravais, ces quatre halos (fig. 76) : le premier, après le lever du soleil (13 degrés); le second, à une plus grande hauteur (25 degrés); le troisième à 49 degrés, et le quatrième à 61 degrés. Dans ces figures explicatives, S représente la place du soleil; Z le zénith; hh le halo ordinaire ou de 22 degrés; HH le grand halo ou de 46 degrés; PP les parhélies; aa lare circumzénithal tangent supérieurement, au halo de 46 degrés ; Spp le cercle parhélique horizontal; pp les paranthélies ; cSc' (dans la première figure) la colonne verticale à Thorizon; bb (dans la quatrième) Tare circumhorizontal tangent inférieurement au halo de 46 degrés; tt Tare tangent supérieur du halo de 22 degrés; i'tf lare tangent inférieur du halo de 22 degrés; tt ii un halo circonscrit formé parla réunion de» deux arcs tangents supérieur et inférieur ; // des arcs tangents latéraux du halo de 46 degrés ; enfin A un anthélie.
Le trait plein représente les parties du météore provenant des prismes à axe» de direction indéterminée. Le trait ponctué, ainsi que la croix, indiquent celles qui sont produites par les prismes à axes verticaux. Enfin, le trait discontinu, avec rétoile à six branches, se rapporte à celles qui sont dues aux prismes dont les axes sont horizontaux.
Le grand halo caractéristique que nous représentons ici en peinture est le plus complet que Ton ait encore observé. G^est celui que Lowitz a étudié à Saint-Pétersbourg, le 29 juin 1 790, de 7 heures 30 m. du matin à midi 30 m. Il y a eu naturellement depuis cette époque un grand nombre d'observations, mais celui-ci est encore celui qui s^est manifesté en offrant à la fois tous ses caractères. Celui que MM. Bravais et Martins observèrent à Pitéo, en Suède, le 4 octobre 1 839, était également très-remarquable, mais cependant moins complet.
En projection, on analyse mieux ce curieux phénomène ; on y voit d'abord (fig. 77) : r le halo de 22 degrés de diamètre hhhh autour du soleil S. En place de ce cercle, Lowit2 en a vu deux qui se coupaient en haut et en bas; en Norvège on en a vu trois;
