Arc-en-ciel
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Arc-en-ciel.
Arc-en-ciel.
Arc-en-ciel circulaire vu d'un avion.
Arc-en-ciel circulaire vu d'un avion.

Un arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique qui rend visible le spectre continu de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) quand le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) brille pendant la pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un...). C'est un arc coloré avec le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) à l'extérieur et le violet (Le violet est une couleur, composée d'un mélange de bleu (environ 50% de luminosité) et de rouge (environ 25% de luminosité) en synthèse additive, et d'un mélange de magenta (environ...) à l'intérieur. On considère habituellement qu'il est composé de sept couleurs : rouge, orange, jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :), vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un...), bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...), indigo (L'indigo (du latin indicum : de l'Inde) est une nuance de bleu foncé.) et violet. En réalité, un arc en ciel ne se décompose qu'en 6 couleurs dominantes. L'indigo ne correspondant qu'à une très étroite bande du spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil...), on ne peut le distinguer dans un arc-en-ciel (Un arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique qui rend visible le spectre continu de la lumière du ciel quand le soleil brille pendant la...). La décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant...) habituelle en 7 couleurs tient surtout au fait que le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) sept est considéré de manière très positive dans la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec beaucoup de précision et de détail, La...) occidentale.

Description physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...)

Réfraction et réflexion de la lumière dans une goutte d'eau
Réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change...) et réflexion de la lumière dans une goutte d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.)

On peut observer l'effet d'un arc-en-ciel toutes les fois où il y a de l'eau en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. ...) dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...) 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. Un autre endroit commun où l'on peut voir cet effet est à proximité de chutes d'eau. Sa position est toujours dans la direction opposée au soleil par rapport à l'observateur. Le centre de l'arc est toujours dans la direction de l'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement partiellement opaque) entre une source de...) de l'observateur ; l'arc lui-même apparaissant sous un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) approximatif de 40-42° au-dessus de cette ligne soleil-observateur-centre de l'arc. On peut aussi créer artificiellement cet effet un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...) ensoleillé en se tournant dos (En anatomie, chez les animaux vertébrés parmi lesquels les humains, le dos est la partie du corps consistant en les vertèbres et les côtes. Les dorsaux étaient...) 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.

Dans de rares cas, un arc-en-ciel peut être vu de nuit par temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) clair et pleine lune (La pleine Lune est la phase lunaire durant laquelle la Lune apparaît la plus brillante depuis la Terre, de par le fait que nous voyons, lors de cette...). Dans ce cas, c'est la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne...) qui sert de source lumineuse. En pratique, la lumière de l'arc ainsi produite est faible et peut ne pas exciter suffisamment les cellules de la rétine (La rétine est l'organe sensible de la vision. D'origine diencéphalique, elle est une mince membrane pluri-stratifiée d'environ 0,5 mm d'épaisseur couvrant environ...) responsables de la perception de la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) (les cônes). L'arc apparaît ainsi d'une lueur grisâtre sans couleur apparente[1]. Les couleurs peuvent cependant apparaître sur une photo.

Formation

Formation de l'arc en ciel
Formation de l'arc en ciel
Équivalent d'un arc-en-ciel, formé dans l'eau brumisée
Équivalent d'un arc-en-ciel, formé dans l'eau brumisée

L'arc-en-ciel est provoqué par la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes...) de la lumière du soleil par des gouttes de pluie approximativement sphériques. La lumière est d'abord réfractée en pénétrant la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) 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 réfléchie vers l'arrière sous un angle d'environ 40-42°, indépendamment de la taille de la goutte. La valeur précise de l'angle de réflexion dépend de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) (la couleur) des composantes de la lumière. La lumière bleue qui est réfractée a un plus grand angle que la lumière rouge, mais en raison de la réflexion totale (En optique géométrique, un rayon lumineux traversant une séparation entre deux milieux d'indices optiques différents peut subir une réflexion et une réfraction. Lorsqu'il n'y a pas de...), la lumière rouge apparaît plus haut dans le ciel et forme la couleur externe de l'arc-en-ciel.

Un arc-en-ciel n'a donc pas réellement d'existence physique mais est une illusion optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) dont la position apparente dépend de la position de l'observateur. Toutes les gouttes de pluie réfractent et reflètent la lumière du soleil de la même manière, mais seulement la lumière d'une petite partie des gouttes de pluie atteint l'œil de l'observateur. C'est l'image formée par la lumière de ces gouttes de pluie que nous voyons sous forme d'arc-en-ciel.

D'un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans le cas d'un engin sans moteur, on...) on peut voir le cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée rayon du cercle....) entier de l'arc-en-ciel avec l'ombre de l'avion (donnant la direction opposée au Soleil) en son centre.

Arcs secondaires et arcs surnuméraires

Arc-en-ciel secondaire
Arc-en-ciel secondaire
Arcs surnuméraires
Arcs surnuméraires

Parfois, un second arc-en-ciel, moins lumineux, peut être aperçu au-dessus de l'arc primaire. Il est provoqué par une double réflexion de la lumière du soleil à l'intérieur des gouttes de pluie et apparaît sous un angle de 50-53° dans la direction opposée au Soleil. En raison de la réflexion supplémentaire, les couleurs de ce second arc sont inversées par rapport à l'arc primaire, avec le bleu à l'extérieur et le rouge à l'intérieur, et l'arc est moins lumineux. C'est la raison pour laquelle il est plus difficile à observer. Un troisième arc-en-ciel peut être présent au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui...) du second, et inversé par rapport à celui-ci. Il est cependant nettement moins lumineux et observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus généralement...) uniquement dans des conditions exceptionnelles. En pratique, il n'est pas très facile à distinguer des arcs surnuméraires associés à l'arc secondaire (voir ci-dessous). Il correspond aux rayons lumineux ayant subis cinq réflexions dans les gouttes d'eau. Deux arcs inversés l'un par rapport à l'autre peuvent également être observés dans la direction opposée, à environ 45 degrés du Soleil (donc dans la direction de celui-ci), mais ceci est particulièrement difficile du fait de la proximité du Soleil. Les rares observations de ces deux arcs font mentions de morceaux d'arcs visibles par intermittence. Ces deux arcs correspondent aux rayons lumineux ayant subis trois et quatre réflexions dans les gouttes d'eau. Comme ils sont situés à l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes...) du Soleil, ce ne sont pas les mêmes gouttes d'eau qui y contribuent. En pratique, les configurations favorables à leur observations sont nettement moins nombreuses que celles favorables à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) de l'arc secondaire, en particulier en raison de leur proximité du Soleil.

Un autre effet moins difficile à observer est celui des arcs dits surnuméraires, qui se traduisent par le fait que le premier arc apparaît en fait comme une série d'arcs de rayon, d'épaisseur et d'intensité décroissants accolés les uns aux autres. Visuellement, on observe une copie du premier arc située juste à l'intérieur de celui-ci : à côté de la bande violette du premier arc, on observe la bande verte puis la bande violette de sa copie, ainsi parfois qu'une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...) copie (voir photo ci-contre). Ce phénomène résulte d'interférences subies par la lumière lors de ses réflexions successives dans les gouttes d'eau (voir[2],[3]). Ils ne peuvent être expliqués par la seule optique géométrique (L'optique géométrique est une branche de l'optique, comme le sont l'optique ondulatoire (souvent appelée optique physique) et l'optique quantique. Ces approches ne sont pas opposées, mais...), d'où leur nom. Contrairement aux autres arcs, ces arcs surnuméraires dépendent d'autres facteurs, comme la dispersion du diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de...) des gouttes d'eau.

La bande sombre d'Alexandre

Entre le premier et le deuxième arc-en-ciel , une bande plus sombre apparaît . Cela correspond à la zône de la goutte d'eau comprise entre l'angle de 42° caractérisant la fin du premier et l'angle de 50° caractérisant le début du second . Cette bande intermédiaire où il y a déficit de lumière a été appelée la "bande sombre d'Alexandre", en l'honneur d'Alexandre d'Aphrodisias qui la décrivit le premier .

Historique de la découverte de sa formation

Le rôle de la réfraction de la lumière sur des gouttelettes d'eau a été suspecté dès le début du XIVe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut...) par le persan Al-Fârisî et par Dietrich von Freiberg (Freiberg est le nom :).

L'historien anthropologue Michel Pastoureau, spécialiste des couleurs, nous rappelle que, dans les textes comme dans les images depuis l'antiquité jusqu'au Moyen Âge, les arcs-en-ciel ont trois, quatre ou cinq couleurs, mais jamais sept, car le spectre n'était pas encore connu.

René Descartes redécouvre le principe de la loi de la réfraction en 1637. Isaac Newton (Sir Isaac Newton était un philosophe, mathématicien, physicien et astronome anglais né le 4 janvier 1643 du calendrier grégorien[1] au manoir de Woolsthorpe près de Grantham et mort le 31 mars 1727[1] à...) précise les calculs dans la deuxième moitié du XVIIe siècle.

Mythologies

Certaines légendes concernent l'arc-en-ciel à cause de sa beauté et de la difficulté d'expliquer ce phénomène avant le traité de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du...) sur les propriétés de la lumière.

On le mentionne dans la Bible (Genèse IX:12-17) comme signe d'engagement de Dieu avec l'humanité.

En mythologie grecque, c'est un chemin fait par une messagère (Iris) entre la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) et le ciel (on le retrouve dans le terme espagnol : arco iris). De même dans la mythologie nordique où celui ci, appelé Bifröst (Chemin Tremblant), est un pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette séparation. Le franchissement supporte le passage d'hommes et...) pour rejoindre Ásgard, le royaume des dieux.

On dit que la cachette secrète de l'or du leprechaun irlandais est à l'extrémité de l'arc-en-ciel.

En mythologie chinoise, l'arc-en-ciel est une fente dans le ciel qui est scellée par la déesse Nuwa en utilisant des pierres de plusieurs couleurs différentes.

Symbolique

Dans la symbolique occidentale, l'arc-en-ciel est associé à la joie et la gaieté.

L'origine de cette symbolique réside dans le fait que toutes les couleurs y sont réunies. Également, le nombre sept est considéré de manière très positive. Il peut évoquer les sept jours de la semaine, les sept notes de musique, les sept mers (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), les sept arts, etc.

Empire Inca.
Empire Inca.

Le drapeau aux couleurs de l'arc-en-ciel est de nos jours associé à diverses notions :

  • avec le rouge en haut (7 couleurs) : drapeau de l'empire Inca (1250-1548)
  • avec le violet en haut (7 couleurs) : au mouvement des pacifistes en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité...) (utilisé par exemple dans les manifestations en Italie contre la guerre en Irak de 2003)
  • avec le rouge en haut (6 couleurs) : au mouvement gay et lesbien, principalement aux États-Unis.
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