Les halos dans le ciel
Cet article est paru dans Carnets d’Aventures n° 82 (janvier-mars 2026).
Le ciel est une source de contemplation infinie et variée. Il est impossible de s’en lasser. Outre les nuages et leurs formes improbables et variées, on peut y observer de magnifiques phénomènes optiques, les photométéores. L’arc-en-ciel en fait partie, il est visible dès qu’un rideau de pluie est éclairé par le soleil ; on l’observe donc (tout comme les gloires et spectres de Brocken), dans la direction opposée au soleil (soleil dans le dos de l’observateur, arc-en-ciel devant). Les halos, eux, sont une famille de cercles et d’arcs de cercle lumineux que l’on observe dans la direction du soleil, autour de celui-ci. Ces halos sont plus discrets, leur aspect spectaculaire vient plutôt de leur relative rareté, du fait qu’il faut les connaitre pour les apprécier à leur juste valeur. Ils sont plus fréquents quand il fait froid : les balades en montagne, l’hiver, sont assez propices à ces observations. Tout comme pour les arcs-en-ciel, le principe physique à l’origine des halos est la réfraction de la lumière : à travers des gouttes de pluie pour les premiers et dans des cristaux de glace flottants dans l’atmosphère pour les seconds. Voyons cela d’un peu plus près !
La réfraction ou l’art délicat de faire plier la lumière¶
Un rayon lumineux se déplace en ligne droite dans un milieu transparent homogène. Sa direction change quand il passe dans un autre milieu transparent mais aux propriétés différentes. L’air et l’eau sont deux milieux transparents à la lumière visible (celle que nos yeux peuvent voir). Mais à l’interface entre les deux, un rayon lumineux voit sa direction modifiée. Il est réfracté. En passant de l’air à l’eau, le rayon incident s’écarte de l’interface. Inversement, un rayon passant de l’eau à l’air va s’incliner vers l’interface. Vous pouvez expérimenter cela quand vous regardez une cuillère plongée dans un verre d’eau (ou un bâton dans un lac), celle-ci apparait « brisée ». Il y a d’ailleurs un effet « loupe » associé, qui fait voir les poissons plus gros qu’ils ne le sont depuis la surface !
Prismes : the white side of the sky¶
Les nuages peu épais en altitude (haute troposphère), comme les cirrus ou les cirrostratus, sont formés de minuscules cristaux de glace. Ces cristaux ont une base hexagonale mais leur forme peut revêtir de multiples aspects ; les plus nombreux sont plats (lamelles hexagonales), ils ont la forme de colonnes (à section hexagonale) ou de pyramides. En fonction de leur orientation dans l’atmosphère, par rapport au soleil, ils peuvent faire office de prisme.
Photos de cristaux de glace hexagonaux provenant de cirrus au microscope électronique à balayage. Source : Van Diedenhoven (2018).
Un prisme est un cylindre dont la base est un polygone. Le plus simple est celui qui est triangulaire.
Pochette de l’album The Dark Side of the Moon des Pink Floyd illustrant la dispersion de la lumière blanche par un prisme triangulaire d’angle 60°.
Quand un rayon lumineux arrive sur la paroi d’un prisme en verre, par exemple, il est « réfracté », légèrement dévié vers l’intérieur. Il frappe alors la deuxième paroi, ressort du prisme vers l’air à nouveau légèrement dévié. L’angle entre le rayon sortant et le rayon entrant s’appelle la déviation.
Schéma du trajet d’un rayon lumineux à travers un prisme.
Si le rayon lumineux est de la lumière blanche (comme la lumière du soleil), celle-ci sera décomposée par son passage à l’intérieur du prisme, car la déviation entre l’air et le verre dépend de la couleur (la longueur d’onde). Comme illustré sur la pochette du disque, le violet (et le bleu) sont plus déviés que le rouge. Cela disperse les couleurs et crée un effet similaire à l’« arc-en-ciel ».
La lumière change de cap¶
Il existe un angle de déviation « minimal » qui dépend uniquement de l’angle du prisme et de la nature du matériau qui le compose. Un matériau transparent est caractérisé par son indice optique (ou « indice de réfraction », noté n), un nombre plus grand que 1. Il indique comment et de combien un rayon lumineux est réfracté (dévié) en traversant l’interface entre deux milieux transparents. Par définition, il vaut 1 dans le vide. Il dépend de la composition du matériau, s’il contient des impuretés, de la pression, de la température, des forces qui s’exercent dessus, etc. Il est très légèrement supérieur à 1 dans l’air (on peut souvent l’approximer à 1 comme sur le schéma). Il vaut environ 1,5 dans le verre (cela dépend de la nature du verre), il vaut environ 1,33 dans l’eau. Ces indices dépendent également de la longueur d’onde de la lumière, c’est-à-dire de sa couleur. Généralement ils sont plus élevés pour le bleu (petite longueur d’onde) que pour le rouge (grande longueur d’onde). Avec un prisme en verre d’indice 1,5, l’angle minimal de déviation est de 37,18°.
Le halo à 22° : tout en poésie !¶
Les cristaux de glace hexagonaux peuvent faire office de prisme d’angle 60° (comme un prisme triangulaire) quand le rayon lumineux entre par une face et ressort deux faces plus loin, par la troisième.
Schéma d’un cristal de glace hexagonal vu en coupe transversale avec le trajet d’un rayon lumineux représenté en rouge, à l’angle de déviation minimum d’environ 22°.
L’indice optique de la glace est environ de 1,31. Dans ce cas, l’angle minimal de déviation vaut 21,84°. L’angle maximal vaut 43,47°. Néanmoins, la plupart des rayons incidents vont ressortir avec un angle de déviation très proche du minimum. Ce qui engendre une accumulation de lumière à cet endroit. Cela s’appelle une caustique. Comme celle que vous pouvez admirer tous les matins dans votre bol de thé, café, chocolat, où se reflète la lumière de la pièce.
Caustique dans un bol de soupe.
Les formes lumineuses qui dansent sur le sol d’un ruisseau éclairé par le soleil sont aussi des caustiques, concentrations de lumière.
Les cristaux de glace se trouvent dans tous les sens dans le ciel, sans orientation ou direction privilégiée. Parmi l’ensemble de ces nombreux cristaux, certains sont situés et orientés de façon à ce que la lumière réfractée du soleil parvienne à l’œil de l’observateur. L’ensemble de ces rayons réfractés forme un cône de lumière qui se visualise par un cercle centré sur la source de lumière, le soleil (voir illustration Guérin plus bas). Ce cercle est le halo observé, nommé pragmatiquement « halo à 22° » ou « petit halo ». Il prend l’apparence d’un cercle diffus, blanchâtre, centré sur le soleil. Son rayon est donc d’environ 22°. Pour le reconnaitre avec certitude, on peut allonger le bras et écarter les doigts au maximum : la distance entre le bout du pouce et celui de l’auriculaire donne l’empan. Empan provient du vieux français qui signifie envergure. C’était une unité de longueur utilisée notamment au Moyen Âge par les bâtisseurs de cathédrales ; elle vaut environ 20 cm — évidemment, elle dépend des individus, mais comme toutes les unités étaient basée sur le corps humain (pouce, palme, empan, coudée, pied, etc.), les proportions étaient respectées, même sans étalon. L’angle sous lequel on voit l’empan à bout de bras fait justement environ 22°.
L’empan à bout de bras fait un angle d’environ 22°.
Le halo a une certaine épaisseur, son bord est assez franc vers l’intérieur, plus diffus vers l’extérieur, simplement parce qu’aucun rayon lumineux ne peut être dévié à moins de 22° alors qu’il en a au-delà. Il peut également présenter un bord intérieur rouge. En effet, l’indice optique de la glace vaut plutôt 1,306 pour la lumière rouge et 1,317 pour le bleu. Cela signifie que l’angle de déviation minimal est plus petit pour le rouge (21,54°) que pour le bleu (22,37°) : à l’intérieur du cercle, on a le rouge. On devrait avoir un effet arc-en-ciel, avec un bord externe bleu-violet. Mais comme les cristaux ne sont pas « parfaits » et qu’ils sont orientés dans tous les sens, en fonction de la façon dont les rayons solaires les pénètrent, l’angle minimal de déviation peut changer légèrement : les arc-en-ciels se superposent, toutes les couleurs s’additionnent pour donner de la lumière blanche.
Illustration du halo à 22° et de l’empan. Dessin de Maud Lecarpentier paru dans Ski Alpinisme, le guide de Olivier Moret, Philippe Descamps et Guillaume Blanc, Guérin, 2025.
Les parhélies¶
Quand les cristaux hexagonaux sont peu épais, ils ont tendance à flotter dans l’air horizontalement (comme des feuilles). Dans ce cas, seulement deux points du cercle, symétriques (du fait de la symétrie des cristaux), parviennent à l’observateur. Ce sont les parhélies, deux accumulations de lumière de part et d’autre du soleil, à la même hauteur que lui, à un écart angulaire de 22°.
Elles sont assez fréquentes, on peut les voir dans plein de contextes différents (été comme hiver, ville comme montagne), tant que le soleil est peu élevé sur l’horizon (moins de 60°). On les appelle également « faux soleil », « soleil double », « œil de bouc » (au Canada) ou « chiens du soleil » (sundogs en anglais). Contrairement aux halos, elles sont souvent colorées comme de petits arcs-en-ciel, simplement parce que les cristaux ayant une seule orientation dans ce cas, il n’y a qu’un angle de déviation minimal, donc pas de superposition des couleurs.
Parhélie à Palaiseau en région parisienne le 12 décembre 2013. Elles passent souvent inaperçues, discrètes, mais il n’est pas rare d’en voir. Des phénomènes décrits dans cet article, c’est le plus fréquent. Quand on connait leur existence, on les repère facilement, à un empan du soleil !
Et les autres ?¶
Le halo à 46° ou « grand halo » est beaucoup plus rare que son petit frère, il résulte de la réfraction des rayons solaires sur un bord à angle droit des cristaux, donc avec un prisme d’angle 90°. Dans ce cas, le principe est le même, si ce n’est que l’angle de déviation minimal sera d’environ 46°, et donc un halo deux fois plus grand que le « petit ».
Trajet d’un rayon lumineux de part et d’autre de l’arête du cristal, formant un prisme d’angle 90°, qui permet d’expliquer le grand halo.
Les autres « halos » et « arcs » qui peuvent exceptionnellement être observés résultent du même principe, avec des trajets de rayons lumineux différents dans les cristaux, ou des configurations de cristaux différentes. Les arcs tangents au petit halo, en haut et en bas, résultent de cristaux orientés horizontalement. Leur forme varie avec la hauteur du soleil sur l’horizon. Ils peuvent être également observés avec la lune, notamment le petit halo et les parhélies qui deviennent des parasélènes.
Système de halos complexe et rare : un grand halo avec un arc circumzénithal, au-dessus d’un halo de 22° doté d’un arc de Parry. Source : wikipédia.
Il y a tout une zoologie des halos (rares) qu’il est possible d’observer dans certaines conditions comme sur cette image :
Une photo de l’ensemble de ciel montrant un incroyable système de halos observé le 11 janvier 1999 au pôle Sud (à gauche) et une simulation de ce phénomène (à droite). L’élévation du Soleil est de 21,8°. Les halos fréquents sont : a) le halo de 22°, b) les parhélies, c) le cercle parhélique, d) l’arc tangent supérieur, e) le halo de 46°, f) l’arc supralatéral, g) l’arc infralatéral, h) l’arc circumzénithal, et les halos rares sont : i) l’arc de Wegener, j) l’arc de Parry supérieur, k) l’arc hélicoïdal, m) l’arc subhélicoïdal, n) l’arc diffus, o) l’arc de Tricker, p) l’arc primaire supérieur de Tape, q) l’arc primaire inférieur de Tape, r) l’arc subanthélique, s) les parhélies à 120° et t) l’arc de Hasting. Le halo à 46° et l’arc de Hasting n’apparaissent pas dans la simulation. Photo © Marko Riikonen. Source : Moilanen et Gritsevich 2022.
D’autres phénomènes optiques dans l’atmosphère font l’objet de différentes légendes, comme les mirages et la Fata Morgana ou le rayon vert, qui sont tout aussi intéressants à décrypter dans un prochain numéro !
Halo à 22° et arc tangent en Suisse du côté de Gstaad le 19 janvier 2013.
Halo à 22° au-dessus du pic de Maloqueste dans le Queyras le 3 mars 2023.
Halos à 22° et 46° avec l’arc tangent sur le glacier de Saleinaz le 8 mai 2016
- van Diedenhoven, B. (2017). Remote Sensing of Crystal Shapes in Ice Clouds. In Springer Series in Light Scattering (pp. 197–250). Springer International Publishing. 10.1007/978-3-319-70808-9_5
- Moilanen, J., & Gritsevich, M. (2022). Light scattering by airborne ice crystals – An inventory of atmospheric halos. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 290, 108313. 10.1016/j.jqsrt.2022.108313