Ici en Entre-Deux-Mers, très souvent part une journée pluvieuse à la vigne, on a le luxe d'observer un arc-en-ciel. Mais, vous êtes vous déjà interrogé sur cette apparition ? Serait-ce une création des Dieux ou bien un phénomène d’optique ? Cette magie existe-elle matériellement ou bien faut-il des conditions naturelles spéciales ?
Et fait, cette féerie que l’on aperçoit après une averse est ce que l’on appelle un photométéore.
Mais concrètement, comment se forme un arc-en-ciel ?
Un tour de magie parfait avec le soleil et l’eau
À première vue, une goutte d’eau est parfaitement incolore et la lumière émise par le soleil est blanche. Et pourtant, lorsque cette lumière blanche traverse les gouttes d’eau de pluie, un arc-en-ciel coloré apparaît. C’est un tour de magie parfait avec le soleil et l’eau.
Vous le savez certainement, la lumière du soleil blanche est en fait constituée de 7 couleurs :
violet ;
indigo ;
bleu ;
vert ;
jaune ;
orange ;
et rouge.
Elle contient également de la lumière ultraviolette et infrarouge.
Quand elle traverse une goutte d'eau, la lumière du soleil change de milieu. Elle passe de l’air à l’eau, et de l’eau à l’air. Elle se trouve donc déviée à son arrivée dans la goutte d’eau et réfléchie lorsqu’elle en ressort, dans des directions légèrement différentes. Et ainsi, donnant naissance à un arc de cercle coloré d'un dégradé de couleurs.
Onde électromagnétique et rayonnement des couleurs
Les couleurs d’un arc-en-ciel sont constituées d’ondes électromagnétiques. Les 3 capteurs photosensibles de nos yeux perçoivent le rouge, le bleu et le vert. Les couleurs d’un arc-en-ciel correspondent à un mélange de rouges et de bleus. Les couleurs de la famille des violets et des marrons mélangés à du blanc ne sont en fait pas présentent dans l'arc-en-ciel.
Oh miroir, mon beau miroir et ses différentes couleurs
Les rayons du soleil entrent dans la goutte d’eau puis sont réfléchis sur la paroi opposée de la goutte avant de ressortir vers l’avant. En fait, la goutte d’eau agit comme un miroir. Quand la lumière passe de l’air à l'eau, elle se trouve déviée. Cela vous est certainement déjà arrivé d’observer cette déviation. Par exemple, quand vous plongez une tige dans de l'eau, elle apparaît brisée. Ce qui me fait penser au miroir d'eau de Bordeaux quand on voit se refléter les bâtiments de la place de la Bourse dans le plan d'eau.
Mais, cette déviation de la lumière n’est pas la même pour toutes les couleurs. Le violet et le bleu sont plus déviés que le jaune et le rouge.
La lumière une fois rentrée dans la goutte se trouve décomposée en différentes couleurs. Puis, elle se réfléchit au fond de la goutte et ressort avec un angle qui sera différent pour chaque couleur.
Un spectacle magique entre lumière et gouttelettes
Dans l’air, la lumière se propage en ligne droite. La dispersion de la lumière du soleil par les gouttes de pluie forme l'arc-en-ciel. Comme nous l’avons vu plus haut, la lumière est d'abord réfractée en pénétrant la goutte. Puis, elle subit une réflexion partielle à l'arrière de cette goutte. Et enfin, elle se retrouve à nouveau réfractée en sortant de la goutte.
Vous me suivez, j'espère ? Pour ceux qui sont des plus scientifiques cette partie peut vous intéresser :
Le phénomène de réflexion se produit lorsque la lumière est renvoyée par une surface réfléchissante et reste dans le même milieu par exemple dans l’air.
Le phénomène de réfraction se présente quand la lumière traverse une surface séparant deux milieux transparents par exemple l’air et l’eau. Elle subit alors un changement de direction.
Pour l’étude de ces phénomènes on a besoin d’utiliser un vocabulaire précis.
Le point d’incidence I : c’est le point de rencontre du rayon incident et de la surface de séparation.
La normale : c’est la droite perpendiculaire à la surface en passant par I, le point d’incidence.
Et c’est avec cette droite que l’on définit les différents angles :
l'angle d'incidence i qui est formé par le rayon incident et la normale ;
l’angle de réfraction r, formé par le rayon réfracté et la normale ;
et l’angle de réflexion i’, formé par le rayon réfléchi et la normale.
Le phénomène de réfraction s’accompagne toujours d’une réflexion partielle. Souvent observé sur la surface d’un lac par exemple, où une partie de la lumière est réfléchie.
Et, c’est le phénomène de réflexion qui permet de voir l’image en reflet dans l’eau. Et la réfraction intervient quand une autre partie de la lumière pénètre l’eau et se trouve déviée.
C’est la réfraction associée à la réflexion des différentes radiations lumineuses, composant la lumière blanche du soleil, par les gouttelettes d'eau, en suspension dans l'atmosphère qui forment par dispersion de la lumière du soleil les arcs-en-ciel.
Quelle que soit la taille de la goutte, la lumière pénétrante est principalement réfractée vers l'arrière sous un angle de l'ordre de 40° à 42°. Ce qui explique la forme circulaire de ce photométéore. Ce qui produit la couleur de l'arc-en-ciel, c'est la valeur exacte de l'angle de réfraction qui engendre la longueur d'onde des composantes de la lumière.
Un arc-en-ciel se situe toujours à l'opposé du soleil. L'horizon cache habituellement une grande partie d'un arc-en-ciel, et la taille de l'arc visible varie. Plus le soleil est proche de l'horizon, plus la forme de l'arc-en-ciel sera grande. Un observateur en haute montagne sera le témoin d’un plus grand arc qu'un observateur au ras de la mer. Cette perception différente de la forme de l'arc-en-ciel est due surtout parce qu'il voit une plus grande partie du ciel, et non pas à cause du changement d'alignement avec le soleil. D'un avion, on peut voir le cercle entier de l'arc-en-ciel, un spectacle magique entre lumière et gouttelettes, avec l'ombre de l'avion donnant la direction opposée au soleil en son centre.
Pied de l’arc-en-ciel inatteignable même pour les scientifiques
Vous avez certainement déjà essayé d’atteindre le pied d’un arc-en-ciel et vous avez pu observer que cela était impossible. Pour la simple et bonne raison, que les radiations colorées qui forment le phénomène dépendent de la distance et de l'angle où se trouve l'observateur. Donc quand vous vous déplacez, l'arc-en-ciel bouge tout comme vous.
La taille de l'arc-en-ciel dépend de l'écart entre l'observateur et la bande de pluie, et du positionnement du soleil par rapport à cet alignement. Lorsque l'arc-en-ciel devient trop grand, il forme un cercle dont les pieds se dissolvent derrière l'horizon. Quand l'alignement est optimum, l'arc-en-ciel est assez petit pour que ses pieds soient visibles mais inatteignables même pour les scientifiques qui ont essayé avec de savants calculs de pouvoir l’atteindre.
Pour les férues de formules qui voudraient mesurer un arc-en-ciel, les travaux de Snelle et Descartes sont ceux qui étudient la réflexion et la réfraction. La formule ci-dessous, met en évidence que la déviation du rayon lumineux lors du phénomène de réfraction dépend des milieux qui sont caractérisés par leur indice de réfraction n que l’on appelle indice optique.
n1×sinθi=n2×sinθr
Cette égalité donne un résultat sans dimension qui découle du comportement de la lumière dans le milieu. La lumière ne se trouve donc pas déviée de la même manière quand elle passe de l’air à l’eau ou de l’air au verre.
Un, deux et même trois arcs-en-ciel
Un arc-en-ciel se compose de deux arcs : l'arc primaire et l'arc secondaire.
L'arc primaire est dû aux rayons ayant subi une réflexion interne dans la goutte d'eau.
Les rayons ayant effectué deux réflexions internes dans la goutte d'eau provoquent un arc secondaire moins intense à l'extérieur du premier.
Les deux arcs sont séparés par la bande sombre d'Alexandre.
Cet arc est en fait toujours présent, mais rarement visible.
Un, deux et même trois arcs-en-ciel peuvent apparaître parfois.
Les couleurs de l’arc secondaire sont inversées par rapport à celles du premier arc, avec le bleu à l’extérieur et le rouge à l’intérieur. Moins fréquemment encore, il arrive qu’un troisième arc soit visible, inversé par rapport au second et donc identique au premier.
Les arcs surnuméraires sont plus fins et colorés de vert de violet et d’orange. Par conséquent, ils sont provoqués par l'interférence des ondes lumineuses. En observant sur les bords de l’arc, ils sont dessinés généralement à l'intérieur de l'arc-en-ciel principal.
Quand, les gouttes de pluie sont supérieures à 1 mm, le phénomène de diffraction peut faire apparaître jusqu'à cinq arcs surnuméraires. Le premier se fond avec l'arc-en-ciel primaire, et tous les arcs ont la même palette de couleurs vives.
L'arc-en-ciel création des Dieux
Et non, malheureusement et contrairement aux légendes et aux contes, les trésors ne se trouvent pas aux pieds des arcs-en-ciel. Et puis, nous l’avons vu, il est impossible d’atteindre un des pieds de l’arc. Pour la simple et bonne raison que l’arc-en-ciel est uniquement formé de lumière et n’est donc pas un objet palpable.
Selon les religions, l'arc-en-ciel peut être le signe de l'alliance de Dieu avec les hommes, protéger les femmes enceintes, être un serpent mythique ou bien un présage de beau temps. D’après Aristote, il est possible de voir des arcs-en-ciel la nuit, en hiver au trentième jour de la Lune, après l'équinoxe d'automne.
Bref, l’arc-en-ciel plonge chacun d’entre nous dans un état de contemplation lors de ses apparitions bénis des Dieux, en oubliant complètement le processus scientifique de sa création.
Retenez :
✔ L’arc-en-ciel est un phénomène d’optique
✔ L’arc-en-ciel se présente avec ou après une averse et quand les rayons du soleil sont en angle de 41 °dans le ciel
✔ C’est en étant positionné dos au soleil que nous pouvons distinguer un arc-en-ciel
✔ L’arc-en-ciel forme ses couleurs par la lumière blanche du soleil qui pénètre les gouttelettes d’eau et en ressort
✔ Ce sont les phénomènes de réflexion et de réfraction qui forment l’arc-en-ciel
✔ Vu du ciel ou d’un point situé en hauteur comme d’un avion, l’arc se présente sous la forme d’un cercle complet
✔ C’est d’abord la présence d’un arc principal intense en couleur, qu’on perçoit ensuite un second arc moins visible
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RESSOURCES :
Techno-science.net : https://www.techno-science.net/definition/6525.html
Futura-sciences.com : https://www.futura-sciences.com/sciences/questions-reponses/matiere-arcs-ciel-forment-ils-1596/
Meteofrance.com : http://www.meteofrance.fr/publications/glossaire/149443-arc-en-ciel
