Arcs-en-ciel...

Publié le 25 février 2008 par Slak

Suite à une discussion marrante avec la première « fan » déclarée de ce blog, voici une petite explication d’un phénomène d’une grande beauté visuelle et physique : l’arc-en-ciel. Je me souviens que je croyais, étant enfant, que ma peau allait changer de couleur si je touchais un arc-en-ciel un jour, idée sûrement inspirée par les Bisounours quand j’y repense maintenant. N’empêche, ça doit être la classe d’avoir la peau de toutes ces couleurs :) Donc, voici pour toi, Miss D., l’explication tant attendue.

Rappel :

Pour comprendre ce qu’il se passe, il faut déjà se souvenir de quelques notions d’optique, inculquées normalement au collège. Tout d’abord, la réfraction, qui peut s’observer lorsque l’on plonge un crayon dans l’eau; il paraît brisé car la lumière ne se propage pas pareille dans tous les milieux et lors du passage d’un milieu à un autre (air/eau par exemple), les rayons lumineux sont déviés et l’image globale perçue est déformée. La réfraction obéit à des lois mathématiques, mais qui ne nous intéressent pas ici. Intervient ensuite la réflexion, qui correspond au « rebond », toujours sous certaines conditions connues et calculables, de la lumière sur une surface. Enfin, le plus important des phénomènes dans le cas qui nous intéresse est la dispersion, qui fait intervenir le concept de longueur d’onde d’un rayon lumineux. Cette dernière sert à caractériser des phénomènes périodiques et donc dans le cas de lumière, nous dirons que l’énergie de chaque particule qui la compose est la somme de différents niveaux d’énergie qui correspondent à des plages de couleurs dans l’échelle des longueurs d’ondes possibles. Et oui, couleur = longueur d’onde pour ce qui est de la lumière.
Pour simplifier, la dispersion trie les composants du rayon lumineux selon les longueurs d’onde et modifie, par réfraction, le trajet de la lumière. Les composantes dont les longueurs d’ondes sont les plus élevées sont plus déviées vers l’extérieur, les couleurs sont ainsi séparées !!!

Sachant tout ceci, on peut se remettre en route pour tenter d’aller chevaucher un arc-en-ciel et d’en comprendre le mécanisme. Certaines conditions doivent être remplies pour que l’arc soit visible :

+ Il faut avoir le soleil dans le dos.
+ Il faut qu’il pleuve ou que l’air soit chargé d’humidité donc d’eau.
+ Que le soleil ne soit pas trop haut dans le ciel (41° maxi par rapport à l’horizon).

Ce qu’il se passe :

Ce matin là, le soleil brille, mais l’air est encore chargé de gouttelettes d’eau de la pluie tombée toute la nuit. Vous ouvrez les volets de la chambre et il apparaît, là devant vous, avec son panache de couleurs pures et naturelles, en surimpression du décor de la montagne en plein réveil, fuyant au loin, jusqu’à l’horizon. Que se passe t-il donc dans le ciel ??!!!

Les gouttes d’eau présentes dans l’air dispersent la lumière des rayons de soleil et renvoient à notre œil une image des couleurs contenues dans la lumière. L'angle de déviation dépend en effet de la longueur d'onde : on peut donc voir un arc avec les différentes couleurs successives car les longueurs d’ondes se suivent dans le spectre. Par exemple, la lumière bleue est réfléchie suivant un angle de 40,5° par rapport aux rayons du Soleil, et la lumière rouge suivant un angle de 42,4°. Voici pourquoi le rouge est vu au bord supérieur de l'arc en ciel par l'observateur (le bord supérieur correspond à la partie extérieure de l’arc). Le prisme et le réseau réalisent le même type de séparation des couleurs de la lumière, mais il est aussi possible de le faire avec des rayons provenant de l’espace, comme le font les télescopes qui, à partir des longueurs d’ondes observées dans la lumière émise par les astres, en déduisent leur composition chimique par comparaison avec les spectres des éléments chimiques connus (plus de détails disponible sur simple demande).

L'analyse du trajet optique montre que l'angle entre le rayon entrant dans la goutte et le faisceau en sortant est d'environ 41°. Un arc en ciel se formera donc, pour nos yeux, uniquement à partir des gouttes qui sont positionnées de manière à satisfaire un tel angle entre le Soleil, la Goutte et notre Œil, les autres gouttes formant, peut-être, un arc-en-ciel pour un autre observateur, placé ailleurs, mais peut-être pas.

Pour aller un peu plus loin :

Donc pour résumer la situation et faciliter la compréhension des dessins qui suivent, il est établi que :

Le point S correspond au Soleil.
Le point O est l’observateur, son œil plutôt.
Le point C est le centre du cercle dont on voit un arc coloré.
Le point G représente la position d’une goutte d’eau dans l’air.

* On comprend qu’il ne peut pas y avoir d’arc-en-ciel si le soleil est plus haut que 41° dans le ciel. voir le schéma ci dessus à droite.

* La valeur de 2° correspondant à la largueur de l'arc-en-ciel provient de la différence de déviation entre la longueur d'onde du rouge et celle du violet, qui sont les deux couleurs aux extrémités de la partie visible du spectre de la lumière blanche.

* On ne voit qu’une partie d’un cercle entier mais dont le reste est « caché » sous l’horizon. L’oeil de l’observateur est donc le sommet d’un cône dont le contour de sa base est l’arc-en-ciel. Mais ce contour est coupé en deux par le sol, ainsi l’arc-en-ciel n’apparaît que comme un demi cercle à nos yeux.

* Les couleurs sont toujours dans le même ordre, car les couleurs sont déviées en fonction de leur longueur d’onde. On parle généralement de 7 couleurs : Rouge, Orange, Jaune, Vert, Bleu, Indigo et Violet, mais certaines comme l’indigo ne sont pas trop perceptibles du fait que leur plage de longueur d’onde réduite.

* Plus les gouttes dans l’air sont grosses, mieux est dispersée la lumière et plus l'arc-en-ciel sera coloré. Si elles sont petites, comme les gouttes de bruine, l'arc-en-ciel paraîtra pâle. Il veut mieux donc admirer le phénomène après un gros orage ou une averse, l’intensité des couleurs sera plus saisissante alors.

* Il est possible qu’il se produise plus d’une réflexion dans les gouttes d’eau, ce qui amène un très joli spectacle : des arc secondaires. On voit un premier arc, puis un autre posé dessus et ainsi de suite. L’angle de déviation des couleurs étant différent, le cercle coloré a donc un rayon plus important à chaque nouvelle réflexion mais l’intensité des couleurs s’en trouve amoindrie.Regardez ces photos pour comprendre :

Conclusion :

   Pour résumer brièvement, un arc-en-ciel résulte de la décomposition, par les gouttes d’eau contenue dans l’air, de la lumière « blanche » en couleurs qui viennent se superposer à l’image de ce que l’on regarde.
   Tout comme les mirages, dont le fonctionnement est assez similaire (il s’agit encore d’un problème d’optique), ce que nous appelons arc-en-ciel n’est en fait qu’une illusion d’optique qui se produit sous certaines conditions d’observation. Du fait du déplacement du Soleil dans le ciel, on ne peut pas observer un arc-en-ciel pendant plus d’une demi-heure en général, mais il existe des témoignages d’observation de ce phénomène la nuit, en utilisant la lumière lunaire, mais cela reste assez rare.
   C’est ce genre de petites choses, qui ne coûte rien sinon le temps que l’on prend à les observer, mais qui peut nous redonner le sourire ou nous entraîner bien loin dans des réflexions sur la beauté de la Nature et son expression en terme scientifique. Tel le clair de lune (sur lequel je reviendrai dans un prochain article), les arc-en-ciel ont de quoi inspirer les poètes, les photographes et autres artistes pour encore longtemps, mais vous pouvez vous-même créer votre propre illusion en vous mettant dos au soleil lorsque vous arrosez les plantes de votre jardin.
   Mais alors, si les arcs-en-ciel ne sont que de simples illusions d’optiques, où vivent les Bisounours en vrai ??!!

Et rien que pour le plaisir des yeux :

Slak