Reflets spéculaires en "trajectoire de miroitement" sur la mer au large de la Bretagne

Le reflet du soleil sur une surface océanique non parfaitement lisse est un motif composé de nombreux reflets miroitant dont chacun est un reflet spéculaire du soleil fourni par le côté pentu d'une vague. L'effet dépend donc critiquement de la pente de la vague, et la géométrie globale du motif est dictée par ceci en combinaison avec l'angle d'élévation du soleil. En règle générale, la hauteur angulaire absolue du motif — la longueur de la "trajectoire de miroitement" — est proportionnelle à 4 fois le maximum de la pente de vague, et le ratio de longueur angulaire par rapport à la largeur angulaire du motif est proportionnelle au sine de l'élévation du soleil 1Shaw, J. A.: "Glittering Light on Water", Optics and Photonics News, vol. 10, 3, mars 1999, pp 43-45, 68..

Figure 24 - Tracé de rayon initial supposant un conduit de 65 km (-170 N/km gradient vertical RI) de profondeur de 200 m avec transition de 10 km vers l'atmosphère standard aSimulation Matlab par J.-F. Baure
Figure 24 - Tracé de rayon initial supposant un conduit de 65 km (-170N/km vertical RI gradient) de profondeur de 200 m avec transition de 10 km vers l'atmosphère standard

Une mer semblable à un miroir parfait pourrait produire un petit reflet ellipsoïdal comparable à la largeur angulaire initiale estimée pour le PAN n° 1, mais cette image n'interviendrait pas du tout près de l'horizon, elle se trouverait près de la distance virtuelle correcte "derrière" le mirroir de mer pour un véritable reflet spéculaire. Avec le soleil à environ 45 ° au-dessus de l'horizon cette position virtuelle serait à environ 45 ° sous l'horizon pour un observateur sur la surface de la mer, et à un angle plus réduit mais toujours aigu de dizaines de degrés sous l'appareil dans ce cas. Pour avoir le reflet près de l'horizon nous devons le rendre bien plus incohérent en élevant la hauteur des vagues et en portant le maximum de pente de vague autour de ~¼ de cet angle de dépression, i.e., une pente de l'ordre de 10 °. Ceci est plus réaliste, mais le motif de miroitement alors provoqué (en plein sur l'eau non obstruée) par un soleil à une élévation de 45 ° (sin 0,707) sera une grosse ellipse verticale d'environ 30 ° de large.

Nous avons donc besoin d'un mécanisme pour sélectionner de petites régions distinctes (de l'ordre de 1°) d'une large trajectoire de miroitement à l'oeil de l'observateur. Ce mecanisme pourrait être physique et/ou atmosphérico-optique. Une sélection physique serait le masquage par nuage ou un masquage topographique. Un masquage par nuage nous ramène à la théorie du "rayon divin" traitée précédemment. Un masquage topographique par la côte ou des collines distantes de Bretagne pourait être possible. Mais étant donné le faible changement d'azimut de n'importe laquelle de ces caractéristiques, près de l'horizon à au moins des dizaines de miles de distance et presque juste devant le Trislander, il est difficile de voir comment des régions de reflet spéculaire pourraient dériver latéralement de plusieurs degrés l'une par rapport à l'autre.

Ce mouvement relatif des 2 PANs pourrait sembler inviter à une théorie optique. Mais les mécanismes de propagation optique sont presque exclusivement contrôlés par la structure de température verticale de l'atmosphère puisque c'est dans cette direction que des gradients significatifs peuvent être établis entre des couches parallèles à la mer ou au sol. Cela signifie que de petits déplacements verticaux plutôt horizontaux sont typiques des réfractions de mirages.

Donc ce groupe d'hypothèses n'est pas sans problèmes. Néanmoins l'azimut moyen des PANs se trouve à quelques degrés de l'azimut du soleil et les témoins ont décrit une lumière de soleil colorée, lumière de soleil jaune, une lumière étincelante et brillante, qui (nonobstant des mentions de coloration orange de 2 observateurs) encourage à plus d'investigation dans ces voies.

Figure 25 - Orientation de vague optimum pour le modèle de reflet spéculaire
Figure 25 - Orientation de vague optimum pour le modèle de reflet spéculaire

Nous avons envisagé la possibilité que la source d'un fin cigare bien défini de lumière étincelante pourrait être une zone de miroitement spéculaire contenu par une baie croissante de la côte Bretonne nord. Un reflet de 0,5 ° de large à 100 miles correspondrait à une baie d'à peu près 1 mile de long. L'incohérence d'azimut entre les axe(s) de vision vers les PAN(s) et l'azimut du soleil pourrait être expliqué par l'orientation et la pente de vagues de hauts-fonds qui se trouvaient présenter un angle optimum pour un reflet spéculaire.

Les distances normales d'horizon optique depuis le Trislander au début et à la fin de l'observation étaient de 69 miles nautiques et de 48 miles nautiques respectivement, et il fut donc nécessaire d'aussi invoquer une réfraction de mirage pour relier les trajectoires de rayons lumineux depuis la côte bretonne aux observateurs. En ceci nous adaptions une théorie de "faux mirage" qui nous fut suggérée par le physicien de l'atmosphère Les Cowley, une géométrie optique inhabituelle dans laquelle des rayons de lumière conduits (rayons réfractés avec un rayon de courbure proche de la courbure de 33”/km de la terre et efficacement capturés dans la couche réfractive) s'échappent du conduit à un angle en l'air vers les observateurs situés au-dessus du sommet du conduit 2Cowley, L.: "Channel Islands Sightings: An Investigation into Possible Role of Atmospheric Optical Phenomena", 2007. Cet excellent rapport de 9 pages fut aimablement préparé pour nous par le Dr Cowley à une étape du début de notre enquête, et a aidé grandement à focaliser la direction de nos efforts..

Figure 26 - Spectre de direction-fréquence de vague enregistré par la bouée de vague Libenter, à 1400Z le 23 avril 2007
Figure 26 - Spectre de direction-fréquence de vague enregistré par la bouée de vague Libenter, à 1400Z le 23 avril 2007

Nous avons trouvé des indices (section 5) d'une inversion d'advection ayant eu lieu à basse altitude avec un gradient moyen de ~10 °C/100 m au-dessus des eaux côtières au large du nord de la Bretagne — proche d'un gradient capturant — diminuant d'un facteur 10 à un endroit au sud de la zone des îles anglo-normandes. Il nous sembla possible que les rayons lumineux conduits depuis la côte bretonne aient pu s'échapper du conduit faiblissant à un endroit au sud de Guernesey et présenter au-dessus de l'horizon une image de "faux mirage" d'une baie de mer brillante aux observateurs à 4000 pieds à nombreux miles de distance (en principe un conduit pourrait même capturer des reflets de miroitement du soleil depuis aussi loin que la Baie de Biscay, mais les trajectoires de rayons depuis la Baie de Biscay ne peuvent s'accoupler avec ce conduit côtier breton qui ne s'étend qu'à 200 m altitude environ, significativement en-dessous des collines bretonnes dans l'axe de vision).

Courbes d'irradiation solaire (rouge) par rapport clear-sky expectation pour 4 endroits.
A, nord de Guernesey; B, sud de Guernesey; C & D, eaux côtières au large de la Bretagne bDonnées de Lucien Wald, Helioclim/SODA, Centre Energetique et Procedes Ecole des Mines de Paris, CNRS
Curves of solar irradiance (red) against clear-sky expectation for 4 locations.

Un tracé de rayon fut produit par ordinateur (figure 24) en supposant un conduit de 65 km (~10°C/100 m, produisant un gradient d'indice réfractif de -170N/km) s'étendant de la côte nord de la Bretagne vers les îles anglo-normandes (hautement affaibli à ce point à ~1°C/100 m), avec une transition de 10 km vers une atmosphère standard. La pente de descente approximative du Trislander depuis les niveaux de vol de 4000 pieds jusqu'a 2000 pieds est indiquée. Evidemment il pourrait être possible avec un petit ajustement des paramètres d'arranger les choses comme le fait que l'appareil passe hors de la base du pinceau des rayons réfractés à environ 2000 pieds, résultant en la disparition du mirage.

Une baie candidate était située à Plougasnou, 48,7 N, 3,8 O (figure 25). Cette baie, une zone de surf populaire, se trouve près de l'axe de vision vers les PANs 3 Elle contient aussi un patch de rochers au large qui, en interrompant les trains de vagues venant du NNE et/ou en masquant la direction de reflet spéculaire à un angle d'élévation bas, pourrait aussi potentiellement expliquer une étrange "bande gris graphite". De manière réaliste, les vagues seraient réfractées autour de lui plutôt que parfaitement bloquées comme idéalisé en figure 25, mais le signalement du capitaine Bowyer selon lequel les bords des bande(s) avaient une qualité de "miroitement" suggère certainement du soleil sur la mer. Ou peut-être ces bandes étaient-elles des ombres projetées par des traînées d'appareils ou des traits de nuages denses ? L'ombre d'une traînée élevée peut parfois être projetée sur une couche de nuages inférieure. Vue du dessous, la lumière répandue à travers le nuage l'éclaircit à l'exception de l'ombre, ce qui peut apparaître comme une ligne sombre assez bien définie. Il y a des indices de traînées élevées au sud de Guernesey sur la photo satellite 1328 MODIS (section 3) mais celles-ci sont au-dessus de nuages élevés et semblent de plus s'être dissipés à 14:00. Il semble peu réaliste que des ombres de nuages puissent avoir été suffisamment précises (diffraction pénombrale) pour être proéminentes devant un motif de miroitement.. Nous avons obtenu et tracé (p. 69) les mesures satellite d'irradiance solaire sur les eaux côtières à 2 coordinates dans cette zone 4Thanks to Lucien Wald, Helioclim/SODA, Centre Energetique et Procedes Ecole des Mines de Paris, CNRS.. Dans les 2 cas l'irradiance était (within uncertainty) la même que the clear-sky expectation d'à peu près 730 W/m2.

Nous avons trouvé que cette théorie rencontre bel et bien des difficultés. La brillance d'un possible motif de miroitement du soleil dans cette zone serait sensible à la pente de vague (~20 ° serait optimum pour un reflet spéculaire), l'orientation de vague et la position du soleil. L'azimut du soleil est à moins de quelques degrés de l'axe de vision the preferred swell direction for favourable specular reflection would be from the NNE, which does occur in certain weather conditions. But it is not the prevailing wave direction in the Channel. The prevailing direction is from the W. Initial findings about the off-shore wave direction and wave slope le 23 avril 2007 were not encouraging.

Figure 27 - Tracés Skew-T, surface à 800 mbar, simulation numéritque Meteo France ALADIN de 4 h montrant une température dry-bulb (noir), un point de rosée, un point de gel et des vents pour le lieu 48,9 nord 3,4 ouest, le 23 avril 1300Z. Note surface breeze veering du sud-ouest au nord-ouest à 1300, avant l'heure d'observation.
Figure 27 - Tracés Skew-T, surface à 800 mbar, simulation numéritque Meteo France ALADIN de 4 h montrant une température dry-bulb (noir), un point de rosée, un point de gel et des vents pour le lieu 48,9 nord 3,4 ouest, le 23 avril 1300Z. Note surface breeze veering du sud-ouest au nord-ouest à 1300, avant l'heure d'observation.

La bouée de vague de Libenter située à 48° 37' 48” nord, 5° 38' 24” ouest au large de l'extrêmité nord-ouest de la Bretagne montrait la direction de vague comme étant de 281 ° (un peu au nord de l'ouest) à 1400Z, variant de manière négligeable. Une hauteur de vague significative de seulement 1,21 m avec une période de 7,19 s indique un slight sea state avec une pente de vague très peu profonde de seulement 1 ° ou 2 °. A 1400Z le Channel Light Vessel à 49° 54' 0" N 2° 54' 0" O (~ 100 km à l'ouest de ORTAC) mesurait des hauteurs de vague de seulement 0,80 m avec une période de 8,0 s, indiquant des pentes de vague aussi petits que 0,6 ° 5 https://www.ndbc.noaa.gov/station_page.php?station=62103. En d'autres mots les fronts de vague en pleine mer étaient orthogonaux à la direction requise pour un reflet spéculaire efficace (figure 26). De plus la mer était très calme, avec des pentes de vague au moins d'un ordre de magnitude inférieur aux 20° optimum pour un reflet spéculaire 6L'amplitude de vague dans la zone S des îles anglo-normandes elle-même, mesurée par la bouée wave-rider à 6 miles au large de Corbiere, au sud-ouest de Jersey, était smaller still (email 23.07.07 Jersey Planning & Environment Dept , Fisheries & Marine Resources):
| Heure (GMT) | Vague sig (m) | Période (s) | Vague max (m) |
| 13:00 | 0,67 | 6,3 | 1,00 |
| 14:00 | 0,70 | 6,7 | 1,28 |
| 15:00 | 0,69 | 6,9 | 1,34 |
Tous ces chiffres confirment la prévision shipping des îles Anglo-Normandes de midi (annexe C, tableau 3) d'un état de la mer "lise ou léger" avec un roulis "insignifiant". La bouée de Corbière n'enregistre pas de direction de vague.
.

Des vagues de haut-fonds recontrant des eaux moins profondes tendront à être réfractées vers la côte, faisant tourner les fronts de vague dans le sens des aiguilles d'une montre dans ce cas ; mais nous avions peu d'espoir que cette rotation à Plougasnou puisse atteindre les ~100 ° suggérés en figure 24, à l'exception peut-être de very close in-shore. Dans une zone de plusieurs km au large, où la profondeur sera grande comparée à l'amplitude de houle négligeable, il ne pourrait y avoir aucune réfraction. Les crêtes de roulis resteraient quasi-parallèles à l'axe de vision, pas perpendiculaire comme cela serait nécessaire.

D'un autre côté les vagues sont composées de nombreuses fréquences différentes avec des longueurs d'ondes de dizaines de mètres à des millimètres, et nous avons appris 7C. Cox & W. Munk, "Slopes of the Sea Surface Deduced from Sun Glitter", Bulletin of the Scripps Institute of Oceanography, vol. 6., n° 9, 1956, pp. 401-88 ; various emails to J-F Baure and Martin Shough from Andrew T Young (atmospheric scientist, San Diego State U) 28.08.07 - 01.09.07. 8N. Ebuchi and S. Kizu, Probability distribution of surface wave slope derived using Sun glitter images from geostationary meteorological satellite and surface vector winds from scatterometers, J. Oceanography 58, 477 (2002); L. C. Bobb, G. Ferguson, and M. Rankin, Capillary wave measurements, Applied Optics 18, 1167 (1979) que qu'en tous cas les reflets de point brilliant making up a specular sun glitter pattern come mostly from the tiny capillary waves on the scale of millimètres. Nous avons trouvé que some 20 ° slopes would be produced even by light winds of only 3-4 m/s (~7 noeuds) recorded in the Channel Islands area. So despite the unfavourable orientation of the underlying gravity waves, if such winds were blowing across the wave crests from the correct SSW direction they might encourage more favourably oriented near-transverse friction capillaries. Surface winds in the area generally were indeed recorded (section 5) as roughly SSO.

Mais la pente de vaguelette rms (linéairement proportionnelle à la vitesse du vent) ne serait que de ~4-5°. L'extrêmité de queue de la distribution pourrait-elle contenir suffisamment de 20 ° de pentes pour un miroitement du soleil efficace ? Nous avons cherché l'avis d'expert de Bertrand Chapron de l'agence océanographique française IFREMER, qui fut pessimiste quant à cette théorie : les pentes capillaires favorables d'orientations favorable seraient bien trop peu dans ces conditions et les reflets ponctuels brillants trop épars, débouchant à son avis sur une faible intensité aggrégée de lumière réflechie. En court, un miroitement brillant du soleil depuis ces eaux serait peu probable. Il nous conseilla de poursuivre d'autres pistes 9Emails à J-F.Baure de Bertrand Chapron, IFREMER, Brest, 10.09.07 & 11.09.07.

Une simulation numérique ALADIN des vecteurs de vent au-dessus de l'eau côtière fut produite pour nous par Météo France (voir section 5). L'animation de 4 h (figure 27) montre le vent de surface tournant dans le sens horaire et s'affaiblissant, jusqu'à 1300Z il s'agit d'une brise de 1 - 2 noeuds soufflant depuis le nord-ouest, alignée avec la direction de roulis et à travers l'AV. La probabilité d'un miroitement du soleil côtier significatif dans ces conditions sembla negligeable. Cependant des relevés des vents côtiers à Ploumanach 10 https://climatheque.meteo.fr/okapi/accueil/okapiWeb/index.jsp indiquent un développement continu de brise marine qui pourrait avoir produit une brise de surface N-NE à l'heure d'observation, et ainsi des crêtes capillaires transverses plus favorable, mais les vitesses de ~1-2 m/s (rafale max. de 3 m/s) restent faibles (étant donné un vecteur de vague de gravité adverse) pour la pente de vague désirée.

Même une distribution de pente médiocre pourrait être acceptable si nous sommes préparés à envisager des processus spéculatifs. Un éclaircissement Raman est une possibilité, un phénomène d'interférence rare dû to raycrossing qui amplifie la densité de flux en une couche étroite au sommet d'un conduit optique. Bien que l'effet Raman soit très sensible à d'infimes changements de l'angle de visualisation par rapport au sommet du conduit et qu'il semble improbable qu'il puisse persister durant de nombreuses minutes de vol avec un changement d'altitude de > 2000 pieds, on peut imaginer qu'il puisse y avoir d'autres effets rares de focusing dans le conduit qui pourraient concentrer le flux lumineux en une bande mince. Mais même alors, des problèmes restent.

Dans la théorie standard, l'angle critique de visualisation pour tous les effets de réfraction optiques atmosphériques, qu'il s'agisse de vrai mirage ou non, est petit — moins critique que la sensibilité à l'angle d'effets d'interference microscopiques comme le brightening de Raman, mais déjà une contrainte sérieuse. Les mirages sont généralement vus à travers une narrow height range de quelques mètres ou au plus quelques dizaines de mètres pour une inversion très forte. Dans ce cas le besoin de maintenir un angle réduit pendant de nombreuses minutes lors d'un vol sur des dizaines de miles et à travers un changement d'altitude de près de 2000 pieds place une contrainte sur toute théorie optique 11Email à J-F Baure de Andrew T. Young, San Diego U., 28.08.07, et ceci n'est qu'accru par the requirement that it rather accurately simulate aspects of the sighting geometry of a physical object in local space:

Entre 1406 et 1418 les tailles angulaires des 2 PANs ont augmenté. La largeur angulaire estimée du PAN n° 1 augmenta de ~0,5 ° à ~1,25 °, correspondant à un facteur d'aggrandissement de 2,14 à 3,0 entre les observations initiale et finale. Nous avons montré (section 3) que la moyenne de ces valeurs (2,6) est très proche du ratio (2,8) des 2 distances de l'appareil à la position triangulée du PAN n° 1 près d'Aurigny at these times. Mais le ratio attendu d'enlargement des caractéristiques près de la côte bretonne, about 6 times as distant, would be only about 1,3.

Les mouvements des images sont aussi très difficiles pour une théorie optique. En section 3 nous avons vu que la géométrie reconstruite de l'observation montre une rotation de 10 ° vers l'ouest de l'AV vers le PAN n° 1 non expliqué par une rotation du cadre de référence de l'appareil durant le virage vers Aurigny. Si cela est vrai cela excluerait une théorie de mirage simple. Ce n'est pas a strong piece of primary evidence inasmuch as it could be that a quantitative witness error in estimating relative bearings is causing an error in the reconstruction; mais la reconstruction (figure 7) locks in, in a self-consistent way, other angular motions that are strong, non-negotiable features.

La séparation d'azimut observée de 2 images identiques — qu'il s'agisse d'images de source et de mirage, ou d'images d'une source common unseen miragée 2 fois — n'a aucun mécanisme réfractif atmosphérique conventionnel. Et critically, un mouvement horizontal stable de ces 2 images l'une par rapport à l'autre sur un arc de plusieurs degrés est encore plus difficile à expliquer. Une réfraction latérale de rayons lumineux de plus de quelques secondes d'arc (ordre de 10-3 plus petit que rapporté) est considéré comme physiquement impossible 12En pleine atmosphère. So-called "lateral mirage” occurring next to a sun-heated wall or similar is a special case.. Il s'agit d'un déplacement plus petit que la distance angulaire la plus petite résolvable par l'oeil humain 13Les 2 objets distincts étaient "très faciles à voir... sans jumelles". Ils furent aussi observés aux jumelles, mais le déplacement latéral maximum de mirage serait toujours d'un ordre de magnitude plus petit que l'angle résolvable avec des 10-power optics, et par contraste the 10x magnified image separation reported would be equivalent to a nakedeye angle of about 20°.. De plus, toutes minuscules réfractions latérales qui pourraient intervenir en raison de fluctuations thermiques horizontales (pas de gradients stables) ne peuvent expliquer des déplacements latéraux, quelle que soit leur petitesse, persistant sur de nombreuses minutes.

Et finalement bien sûr cette théorie n'aide pas à expliquer l'observation de l'ovale jaune/beige par le pilote du Jetstream, à une orientation quasi-réciproque.

Plausibilité (0-5) : 2