Arc-en-ciel - Définition

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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 du ciel quand le soleil brille pendant la pluie. C'est un arc coloré avec le rouge à l'extérieur et le violet à l'intérieur. On considère habituellement qu'il est composé de sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo 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, on ne peut le distinguer dans un arc-en-ciel. La décomposition habituelle en 7 couleurs tient surtout au fait que le nombre sept est considéré de manière très positive dans la culture occidentale.

Description physique

Réfraction et réflexion de la lumière dans une goutte d'eau
Réfraction et réflexion de la lumière dans une goutte d'eau

On peut observer l'effet d'un arc-en-ciel toutes les fois où il y a de l'eau 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. 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 de l'observateur ; l'arc lui-même apparaissant sous un angle approximatif de 40-42° au-dessus de cette ligne soleil-observateur-centre de l'arc. On peut aussi créer artificiellement cet effet 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.

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. 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[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 de la lumière du soleil par des gouttes de pluie approximativement sphériques. 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 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 d'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, 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 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 on peut voir le 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 du second, et inversé par rapport à celui-ci. Il est cependant nettement moins lumineux et observable 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 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 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 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, d'où leur nom. Contrairement aux autres arcs, ces arcs surnuméraires dépendent d'autres facteurs, comme la dispersion du diamètre 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 par le persan Al-Fârisî et par Dietrich von Freiberg.

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 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 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 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 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, 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 (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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