Dis papa! Comment se forme un arc-en-ciel ?

Formation de l'arc-en-ciel 

Le 29/03/2019

Un arc-en-ciel est un photométéore, un phénomène optique qui se produit dans le ciel qui rend visible le spectre continu de la lumière du soleil quand il brille pendant la pluie. C'est un arc coloré avec le rouge à l'extérieur et le violet à l'intérieur.

Un arc-en-ciel présente un dégradé de couleurs continu. On énonce souvent la suite des champs chromatiques qui s'y succèdent afin d'en mémoriser l'ordre. Isaac Newton retint sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. Six de ces couleurs correspondent à un champ chromatique bien défini ; il ajouta l'indigo pour que le nombre corresponde à celui des noms de notes de la gamme musicale.

L'arc-en-terre est un phénomène semblable à l'arc-en-ciel, mais engendré sur la terre par la pluie ou la rosée.

Généralités

On peut observer un arc-en-ciel quand des gouttes d'eau tombent ou sont en suspension dans l'air et qu'une source lumineuse (en général le soleil) brille derrière l'observateur. Les arcs-en-ciel les plus spectaculaires ont lieu lorsque la moitié du ciel opposée au soleil est obscurcie par les nuages mais que l'observateur est à un endroit où le ciel est clair, car les couleurs ressortent davantage par contraste avec les nuages du ciel sombre. On voit aussi souvent cet effet à proximité de chutes d'eau, dans la brume avec une source de lumière derrière soi. Ce phénomène optique fait apparaître, dans une transition continue, toutes les teintes monochromatiques, mélangées à la lumière provenant de son arrière-plan.

La réfraction, la réflexion et la dispersion par les gouttelettes d'eau en suspension dans l'atmosphère des radiations lumineuses qui se combinent dans la lumière blanche du soleil produisent les arcs-en-ciel.

Comment se forme un arc-en-ciel dans la nature ?

Formation courante

La dispersion de la lumière du soleil par des gouttes de pluie approximativement sphériques provoque l'arc-en-ciel. La lumière est d'abord réfractée en pénétrant la surface de la goutte, subit ensuite une réflexion partielle à l'arrière de cette goutte et est réfractée à nouveau en sortant. L'effet global est que la lumière entrante est principalement réfractée vers l'arrière sous un angle d'environ 40-42°, indépendamment de la taille de la goutte. La valeur précise de l'angle de réfraction dépend de la longueur d'onde (la couleur) des composantes de la lumière. Dans le cas de l'entrée dans un milieu plus réfringent, l'angle de réfraction de la lumière bleue est inférieur à celui de la lumière rouge (ce phénomène est mis en évidence dans les prismes). Ainsi, après réflexion à l'interface eau-air, la lumière bleue sort d'une goutte au-dessus de la lumière rouge (voir figure ci-contre). L'observateur étant fixe, il voit la lumière issue de différentes gouttes d'eau avec des angles différents par rapport à la lumière du soleil. Le rouge apparaît donc plus haut dans le ciel que le bleu.

Un arc-en-ciel n'a pas d'existence matérielle. C'est un effet optique dont la position apparente dépend de celles de l'observateur et du Soleil. Le centre de l'arc-en-ciel se trouve dans la direction exactement opposée à celle du Soleil par rapport à l'observateur. Toutes les gouttes de pluie réfractent et reflètent la lumière du soleil de la même manière, mais l'observateur ne voit la lumière que d'une petite partie de ces gouttes de pluie.

C'est l'image formée par la lumière de ces gouttes de pluie que nous voyons sous forme d'arc-en-ciel.
 

Formations alternatives

Dans de rares cas, un arc-en-ciel peut être vu de nuit par temps clair et pleine lune. Dans ce cas, c'est la Lune qui sert de source lumineuse (le phénomène porte alors le nom d'arc-en-ciel lunaire). En pratique, la lumière de l'arc ainsi produite est faible et peut ne pas exciter suffisamment les cellules de la rétine responsables de la perception de la couleur (les cônes). L'arc apparaît ainsi d'une lueur grisâtre sans couleur apparente. Les couleurs peuvent cependant apparaître sur une photo.

Le phénomène est également visible sur des dépôts comme la rosée avec l'arc-en-ciel de rosée et le brouillard avec l'arc blanc. Il peut être aussi créé artificiellement par un jour ensoleillé en se tournant dos au soleil puis dispersant des gouttelettes d'eau dans l'air devant soi (lors d'un arrosage par exemple) l'arc est alors d'autant plus visible que le fond est sombre.

Récemment, un phénomène très rare est survenu à Singapour, où l'on a pu observer un arc-en-ciel particulier, un arc circumhorizontal, plus connu sous le nom d'arc-en-ciel de feu. Ce type d'arc-en-ciel apparaît comme un halo lumineux autour de nuages à haute altitude, comme les cirrus. La lumière vient alors se refléter dans les cristaux de glaces des nuages les plus élevés

Est-ce que les couleurs gardent toujours le même ordre dans un arc-en-ciel ?

Oui ! Les couleurs sont dans l’ordre : rouge (extérieur), orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet (intérieur). Cette répartition est dû au fait que les rayons du soleil sont réfractés par toutes les gouttes de pluie. Chaque goutte renvoie toutes les couleurs mais notre œil voit seulement une couleur par goutte. Ainsi les gouttes les plus hautes permettent de voir le rouge uniquement, les plus basses permettent de voir le violet…