Lors de l'éclipse lunaire totale du 28 octobre 2004, j'ai pris quelques photos
du phénomène. J'ai pu constater, en les regardant, qu'il y avait un gradient de
couleur à la surface de la Lune, allant du bord de l'ombre de la Terre jusqu'à
son centre. Dans cet article, je vais décrire le phénomène observé et je
tenterai une explication scientifique.
| |
| |
| |
| |
| |
|
J'ai fait mes photos à l'aide d'un appareil photo numérique (APN) Nikon Coolpix 995 monté en afocal sur un télescope de type Schmidt-Cassegrain de 100 mm d'ouverture et de rapport focal f/12. Avec un oculaire de 24 mm et une lentille de l'APN de 8 mm, la longueur focale effective était de 400 mm. Cela m'a permis de cadrer la Lune convenablement. L'équilibre des couleurs de l'APN était réglé à la lumière du jour et sa sensibilité à ISO 100. Aucun autre ajustement automatique n'était activé.
Voici quelques photos du phénomène (pour plus de photos, consultez ma page web.)
|
|
|
Photo prise à 3h18 TU, soit 14 minutes après le milieu de la totalité. Nous voyons un gradient d'intensité: c'est plus clair au nord (haut) qu'au sud (bas). Nous voyons aussi un gradient de couleur que nous ferons ressortir davantage plus loin. |
Photo prise à 3h41 TU, soit 4 minutes avant la fin de la totalité. Le gradient de luminosité est encore plus grand ici alors que la partie sud-est est encore très sombre et que la partie nord-ouest touche presque au bord de l'ombre.
|
Pour expliquer le phénomène, il faut connaître la configuration de l'éclipse, i.e. comment la Lune a traversé l'ombre de la Terre. La figure suivante montre que notre satellite est passé dans l'ombre dans sa partie supérieure. Cela signifie que l'hémisphère nord (haut) de la Lune s'est toujours trouvé plus près du bord de l'ombre que l'hémisphère sud (bas) qui, lui, s'est toujours trouvé plus près du centre de l'ombre.
|
|
Sur cette image, nous constatons que la Lune a traversé la section nord de l'ombre de la Terre.
|
La première chose que nous observons est le gradient de luminosité. La Lune est toujours plus brillante dans sa partie nord que dans sa partie sud. Nous pouvons expliquer ce gradient en sachant que c'est la diffusion de la lumière du Soleil dans l'atmosphère terrestre qui éclaire la Lune lors des éclipse. En d'autres termes, cela revient à dire que pour un astronaute qui se trouverait sur la Lune, la Terre serait entourée d'un mince anneau brillant. Cet anneau serait le résultat de la diffusion de la lumière provenant de derrière la Terre. Ainsi, plus on se trouve près du centre de l'ombre, plus la lumière doit être diffusée sur une grande distance avant de pouvoir éclairer la Lune. C'est pour cela que le centre de l'ombre est beaucoup plus sombre.
|
|
Ce schéma indique, de façon très approximative, le chemin que prennent les rayons solaires pour éclairer la zone d'ombre que traverse la Lune. Ce qu'il faut retenir, c'est que la partie centrale de l'ombre est éclairée par de la lumière qui a été diffusée (donc absorbée) sur une plus grande distance dans l'atmosphère terrestre. C'est pour cela que le centre de l'ombre est plus sombre et qu'on observe un gradient de luminosité.
|
|
|
Vue de l'éclipse à partir de la Lune: nous remarquons que, lorsque le Soleil est éclipsé, il y a un halo rouge autour de la Terre qui continue de nous éclairer. C'est ce qui produit la couleur de la Lune. Animation de Francis Reddy.
|
|
|
Image présentée en noir et blanc de façon à faire ressortir le gradient de luminosité. La flèche indique le sens du gradient de luminosité. Nous pouvons comparer avec le schéma de configuration de l'éclipse à droite et nous constatons que la flèche va bien du centre de l'ombre vers sa périphérie.
|
Le gradient de luminosité est assez facile à observer. Ce qui nous intéresse dans cet article est principalement le gradient de couleur. Voyons d'abord comment ce gradient se présente à l'œil:
|
|
Photo montrant un gradient de couleur. La partie sud de la Lune est plus rouge que la partie nord.
|
Sur l'image précédente, le gradient de luminosité est facile à observer. Nous devons être très attentif cependant pour percevoir le gradient de couleur. Il est cependant clair que la partie sud est beaucoup plus rouge que la partie nord. Mais comment traduire cela de façon plus quantitative?
Les images que nous présentons sont divisées en trois canaux: le rouge (R pour red), le vert (G pour green) et le bleu (B pour blue). Ces trois canaux activent les différentes couleurs de l'écran qui forment l'image finale. Il est cependant possible de présenter les images en d'autres formats. Celui que nous avons retenu est le HSL (H = hue, ou teinte, S = saturation et L = luminosité). La teinte dépend de la couleur dominante. Sans entrer dans les détails mathématiques, voici une image qui montre la composante H (tons de gris en fonction de la couleur RGB:
|
|
Sur cette image, nous voyons comment est affichée la teinte (composante H) des différentes couleurs. Par exemple, si nous avons du turquoise, la composante H sera affichée en gris moyen. Le fait que nous retrouvions le rouge à gauche et à droite s'explique parce que la transformation est circulaire. En effet, après le magenta, nous retombons sur le rouge et le cycle recommence.
|
Pour obtenir la teinte de la Lune, il suffit alors de convertir l'image RGB en image HSL et de ne garder que le canal H. Notons qu'un filtre médian est appliqué au préalable sur l'image car il y a beaucoup de variations locales de teintes. Nous désirons les supprimer pour ne garder que la variation globale. Une fois les images filtrées, nous avons extrait le canal H (la teinte). Nous avons étendu l'histogramme de ces images de teinte afin d'avoir une plus grande plage de variation. Nous avons ensuite "coloré" ces images de teinte en utilisant la conversion fournie par l'image précédente.
Image 1A: Image originale de la Lune prise à 3h18 TU. |
 |
Image 1B: Image après application d'un filtre médian très grossier. Ceci a pour effet de faire disparaître les structures à petites échelles. Nous ne désirons conserver que le gradient global. |
 |
Image 1C: Transformation de l'image pour ne conserver que le canal de la teinte (H). Attention: comme nous l'avons mentionné précédemment, la conversion est circulaire. C'est pour cela que nous retrouvons des zones très claires dans la partie sud (bas) de la Lune. Ces zones sont en fait en continuité avec le reste de la surface. |
 |
Image 1D: Sur cette image, nous avons étiré la distribution des pixels (l'histogramme) afin d'obtenir une plage de brillances plus grande. |
 |
Image 1E: Nous avons ensuite appliquer des couleurs sur l'image précédente en suivant la transformation fournie par l'échelle suivante:
Attention: l'histogramme a été fortement étiré. Les teintes sont donc fortement exagérées! |
 |
|
|
|
Image 2A: Image originale de la Lune prise à 3h41 TU. |
 |
Image 2B: Image après application d'un filtre médian très grossier. Ceci a pour effet de faire disparaître les structures à petites échelles. Nous ne désirons conserver que le gradient global. |
 |
Image 2C: Transformation de l'image pour ne conserver que le canal de la teinte (H). Attention: comme nous l'avons mentionné précédemment, la conversion est circulaire. C'est pour cela que nous retrouvons des zones très claires dans la partie sud (bas) de la Lune. Ces zones sont en fait en continuité avec le reste de la surface. |
 |
Image 2D: Sur cette image, nous avons étiré la distribution des pixels (l'histogramme) afin d'obtenir une plage de brillances plus grande. |
 |
Image 2E: Nous avons ensuite appliquer des couleurs sur l'image précédente en suivant la transformation fournie par l'échelle suivante:
Attention: l'histogramme a été fortement étiré. Les teintes sont donc fortement exagérées! |
 |
Les images en couleurs amplifiées montrent que la couleur de la Lune n'est pas constante sur sa surface mais change selon la direction du centre de l'ombre de la Terre. Nous avons affiché la direction approximative du centre de l'ombre sur les deux images suivantes (la direction change car la Lune se déplace!):
|
|
|
Les flèches représentent la direction approximative du centre de l'ombre de la Terre à 3h18 TU (à gauche) et à 3h41 TU (à droite). Nous notons que le gradient de couleur est sensiblement aligné sur la direction du centre de l'ombre.
|
|
Ces images montrent que:
|
L'ombre est plus rouge en son centre qu'en sa périphérie; |
|
Le gradient de couleur n'est pas parfaitement aligné sur le rayon de l'ombre (la flèche blanche). |
Le fait que l'ombre soit plus rouge en son centre s'explique comme suit: nous avons dit, lorsque nous avons parlé du gradient de luminosité, que la lumière du Soleil était diffusée dans le cône d'ombre de la Terre. Or, le type de diffusion, appelée diffusion Rayleigh, diffuse beaucoup plus la lumière bleue que la lumière rouge. C'est d'ailleurs pour cela que le ciel nous apparaît bleu: la lumière bleue du Soleil est diffusée partout dans l'atmosphère. Durant le jour, la lumière solaire traverse une mince couche d'air, ce qui lui permet de conserver sa couleur jaune. Au lever ou au coucher du Soleil, lorsque celui-ci est bas sur l'horizon, sa lumière traverse une épaisse couche d'air. À ces moments, en plus de diffuser la lumière bleue, l'atmosphère diffuse aussi la lumière jaune. C'est pourquoi le Soleil devient rouge.
Lors d'une éclipse de Lune, la lumière du Soleil est diffusée dans l'atmosphère tout autour de la Terre avant d'atteindre la Lune. Comme nous l'avons expliqué plus haut, la lumière qui atteint le centre de l'ombre est diffusée sur une plus grande distance que celle qui atteint la périphérie. Cette plus grande distance fait en sorte qu'une plus grande partie de la lumière bleue, puis jaune, est soustraite. Il ne reste alors que la lumière rouge pour éclairer le centre de l'ombre. Comme la Lune n'est pas passé par le centre de l'ombre, nous avons pu observer un dégradé de couleurs, allant du jaune-orange vers la périphérie (nord) à un rouge plus prononcé vers le centre (sud).
Mais le gradient de couleur que nous avons mis en évidence n'est pas parfaitement aligné avec le rayon de l'ombre, i.e. la direction de son centre. L'explication de ce phénomène vient peut-être du fait que la surface lunaire n'est pas unie mais présente plutôt beaucoup de variations (cratères, mers, etc.) qui peuvent affecter le gradient global.
En guise de conclusions, nous désirons souligner le fait qu'il n'est pas nécessaire de posséder un matériel important pour réaliser une petite expérience fort intéressante qui met en lumière la façon dont l'ombre de la Terre est produite et se comporte. Nous avons pu identifier un gradient de luminosité à la surface de la Lune, ce qui prouve que la lumière solaire qui atteint le centre de l'ombre est plus absorbée (parcourt un plus long chemin dans l'atmosphère de la Terre) que celle qui atteint sa périphérie. De plus, nous avons mesuré un gradient de couleur qui ne peut s'expliquer que par la diffusion Rayleigh qui diffuse beaucoup plus les courtes longueurs d'ondes (le bleu) que les longues (le rouge), ce qui explique que le centre de l'ombre soit plus rouge.
Nous espérons pouvoir reprendre le même type d'expérience lors de la prochaine éclipse Lunaire, en 2007 ou en 2008.
Ce dont il faut se souvenir:
|
|
Aguirre, Edwin L., How to Capture October's Lunar Eclipse, Sky & Telescope, oct. 2004, p. 132 |
|
MacRobert, Alan, October's Ideal Lunar Eclipse, Sky & Telescope, oct. 2004, p. 72 |
|
Royal Astronomical Society of Canada, Observer's Handbook 2004, Coll. Rajiv Gupta, 2004 |
