Comment se forme un arc-en-ciel : le voyage de la lumière dans une goutte de pluie
✦ Points clés
- Un arc-en-ciel est un phénomène optique produit par la réfraction, la dispersion et la réflexion interne dans les gouttes de pluie, non un objet matériel à position fixe.
- L'arc primaire naît d'une seule réflexion interne et apparaît vers 42 degrés à l'opposé du Soleil, avec le rouge à l'extérieur et le violet à l'intérieur.
- L'arc secondaire, plus pâle, provient de deux réflexions internes, apparaît vers 51 degrés et présente des couleurs inversées.
- L'ordre des couleurs est fixe car chaque longueur d'onde se réfracte selon un angle précis ; le violet dévie plus que le rouge.
- On ne peut jamais atteindre l'extrémité d'un arc-en-ciel car sa position dépend de l'angle de vue et se déplace avec l'observateur.
Imaginez-vous après une averse d'été, le Soleil réchauffant votre dos, lorsqu'une bande de couleurs se déploie dans le ciel, si proche que vous pourriez presque la toucher. Cet arc n'est pas un objet suspendu dans l'espace : c'est une image peinte par la lumière du Soleil traversant des millions de gouttes d'eau à la fois.
La goutte de pluie, un minuscule prisme
Chaque goutte de pluie agit à la fois comme une lentille, un miroir et un prisme. Lorsqu'un rayon de lumière blanche entre dans une goutte, il se courbe à la surface car la lumière voyage plus lentement dans l'eau que dans l'air. Il rebondit ensuite sur la paroi interne arrière par réflexion interne, puis se courbe de nouveau en sortant. Ensemble, ces étapes réorientent le rayon et décomposent la lumière blanche en ses couleurs.
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La lumière blanche est en réalité un mélange de longueurs d'onde différentes, et chacune se réfracte selon son propre angle. Cet étalement s'appelle la dispersion, et c'est lui qui sépare le blanc en un spectre continu allant du rouge au violet.
Étape par étape dans la goutte
Suivons un rayon dans l'arc primaire. D'abord, le rayon pénètre par la surface avant de la goutte, se réfracte et commence à se séparer en couleurs. Ensuite, il traverse la goutte et frappe la paroi arrière, subissant une seule réflexion interne. Enfin, il revient à la surface avant et se réfracte une nouvelle fois en sortant dans l'air. Résultat : la lumière ressort avec un angle total d'environ 42 degrés pour le rouge et d'environ 40 degrés pour le violet.
Voilà pourquoi l'arc n'est visible que dans une seule direction : seules les gouttes qui nous renvoient leur lumière précisément sous cet angle forment la bande colorée, tandis que la lumière des autres passe hors de notre champ de vision.
Pourquoi 42 degrés, et à l'opposé du Soleil ?
L'arc-en-ciel est centré sur ce qu'on appelle le point antisolaire, le point imaginaire exactement opposé au Soleil, sur la ligne allant du Soleil à votre ombre en passant par votre tête. L'arc primaire trace un cercle d'un rayon angulaire d'environ 42 degrés autour de ce point. Comme le Soleil se trouve au-dessus de l'horizon, nous n'en voyons qu'une partie sous forme d'arc. Plus le Soleil est bas, plus l'arc est haut et complet ; dès que le Soleil dépasse 42 degrés de hauteur, l'arc passe sous l'horizon.
Le double arc-en-ciel et les couleurs inversées
Parfois, un second arc plus pâle apparaît à l'extérieur du premier. Cet arc secondaire se forme lorsque la lumière se réfléchit deux fois dans la goutte au lieu d'une. La réflexion supplémentaire inverse l'ordre des couleurs et disperse davantage de lumière, ce qui le rend plus faible et le fait apparaître sous un angle plus grand, d'environ 51 degrés. La zone relativement sombre entre les deux arcs est connue sous le nom de bande d'Alexandre.
| Propriété | Arc primaire | Arc secondaire |
|---|---|---|
| Angle depuis le point antisolaire | environ 42° | environ 51° |
| Réflexions internes | 1 | 2 |
| Couleur au bord extérieur | rouge | violet |
| Couleur au bord intérieur | violet | rouge |
| Luminosité | vif | pâle |
Pourquoi l'ordre des couleurs ne change jamais
L'ordre des couleurs est fixe car il est déterminé par la physique et non par le hasard. Les longueurs d'onde courtes comme le violet se courbent selon un angle plus grand que les longues comme le rouge. Dans l'arc primaire, le rouge ressort sous un angle plus large et se place au bord extérieur, tandis que le violet occupe le bord intérieur.
| Couleur | Longueur d'onde approximative | Position dans l'arc primaire |
|---|---|---|
| Rouge | environ 700 nm | bord extérieur |
| Jaune | environ 580 nm | milieu |
| Vert | environ 530 nm | milieu |
| Bleu | environ 470 nm | vers l'intérieur |
| Violet | environ 400 nm | bord intérieur |
Pourquoi on ne peut jamais atteindre son extrémité
Parce qu'un arc-en-ciel n'est pas un lieu mais un angle. Sa position se définit par rapport à vos yeux et au Soleil : quand vous vous déplacez, il se déplace avec vous, gardant toujours cet angle de 42 degrés. Chaque personne voit en réalité son propre arc-en-ciel, formé par des gouttes différentes, et même vos deux yeux en voient de légèrement distincts. C'est pourquoi l'extrémité de l'arc reste à jamais hors de portée : courez vers elle et elle s'éloigne comme un mirage coloré.