Arc-en-ciel

Définition

Un arc-en-ciel est un phénomène naturel qui consiste en l'apparition visible d'un arc (ou deux) de lumière multicolore dans le ciel. L'arc-en-ciel apparaît lorsque les rayons du soleil passent à travers de petites gouttes d'eau contenues dans l'atmosphère terrestre. Ce phénomène optique est causé par la décomposition de la lumière du soleil. Le spectre visible, avec ses 7 couleurs, est produit par réfraction dans l'atmosphère.

Un arc-en-ciel :

L'arc-en-ciel existe lorsque les rayons du soleil sont polarisés par des gouttelettes d'eau en suspension dans l'atmosphère. Le phénomène naturel de l'arc dans le ciel apparaît communément après une pluie.

Explications

Il existe différents types d'arc-en-ciel, selon la situation : arc-en-ciel de pluie (le plus courant), arc-en-ciel lunaire, arc-en-ciel de feu et arc-en-ciel blanc. Un arc-en-ciel est un arc (plus ou moins un demi-cercle) de couleurs qui apparaît dans le ciel à l'opposé du soleil et qui est provoqué par le soleil qui brille à travers les gouttes de pluie, les embruns ou la brume.

Couleurs

L'arc-en-ciel classique est composé de 7 couleurs de base : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. Un arc-en-ciel n'est pas un spectre pur. Il est en fait composé d'une myriade de couleurs spectrales individuelles qui se sont superposées et mélangées.

Les 7 couleurs de l'arc-en-ciel :

Les 7 couleurs que vous voyez lorsqu'un arc-en-ciel apparaît sont le résultat de la division de la lumière en ses différentes longueurs d'onde individuelles.

L'idée qu'il y a sept couleurs dans l'arc-en-ciel dure encore à ce jour. En un coup d'oeil, c'est vrai, mais une inspection plus approfondie d'un arc-en-ciel montre qu'il y a bien plus que sept teintes individuelles.

Le spectre de couleurs d'un arc-en-ciel va des longueurs d'onde bleues et violettes les plus courtes aux longueurs d'onde rouges plus longues. Cette séquence de couleurs nous donne le motif caractéristique que nous connaissons tous depuis l'enfance.

La séquence de base pour les arcs-en-ciel primaires est toujours la même à partir du rouge (la plus longue longueur d'onde à environ 780 nm) au violet (la plus courte longueur d'onde de la séquence à 380 nm).

L'idée des sept couleurs est toujours populaire et elle aide à se souvenir de l'ordre des couleurs les plus reconnaissables dans un arc-en-ciel. Cependant, rappelez-vous qu'il existe aussi toute une gamme de couleurs, tellement nombreuses qu'on ne peut pas toutes les distinguer à l'oeil nu.

Comment se forment les arcs-en-ciel ?

Lorsque la lumière du soleil frappe les gouttes de pluie, ils sont responsables de la formation de l'effet arc-en-ciel, mais dans certains beaucoup plus que dans d'autres.

Les rayons du soleil impliqués dans la formation de l'arc-en-ciel sortent des gouttes de pluie à un angle d'environ 138 ° par rapport à la direction qu'ils menaient avant de les pénétrer. C'est l'angle de l'arc-en-ciel, découvert par René Descartes en l'an 1637. L'angle de sortie n'étant que de 138 °, la lumière n'est pas réfléchie exactement vers son origine.

Cela permet à l'arc-en-ciel d'être visible pour nous, alors que nous ne nous trouvons généralement pas exactement entre le Soleil et la pluie. Si nous faisons toujours face à un arc-en-ciel, le soleil sera derrière nous.

Pour être plus précis, c'est la lumière jaune qui est dispersée à 138 ° de sa trajectoire originale. La lumière des autres couleurs est dispersée à des angles quelque peu différents. La lumière rouge de l'arc-en-ciel est dispersée dans une direction légèrement inférieure à 138 °, tandis que la lumière violette sort des gouttes de pluie à un angle légèrement supérieur.

Un rayon de soleil, parmi ceux qui forment un arc-en-ciel, change de direction trois fois lorsqu'il traverse une goutte de pluie : il entre d'abord dans la goutte, ce qui le fait légèrement réfracter. Ensuite, il se déplace vers l'extrémité opposée de la goutte, et il se reflète sur le côté intérieur de la goutte. Enfin, il se réfracte lorsqu'il quitte la goutte d'eau sous forme de lumière diffusée.

La décomposition en couleurs est possible car l'indice de réfraction de la goutte d'eau est légèrement différent pour chaque longueur d'onde, pour chaque couleur de l'arc-en-ciel.

La lumière du soleil émerge de plusieurs gouttes de pluie à la fois. L'effet combiné est une mosaïque de petits éclairs de lumière dispersés par de nombreuses gouttes de pluie, répartis comme un arc dans le ciel. Les différentes tailles et formes des gouttes affectent l'intensité des couleurs de l'arc-en-ciel. Les petites gouttes font un arc-en-ciel pâle de couleurs avec des nuances pastel; Les grosses gouttes produisent des couleurs très vives. De plus, les grosses gouttes sont écrasées par la résistance de l'air lorsqu'elles tombent. Cette distorsion fait que la "fin" de l'arc-en-ciel a des couleurs plus intenses. Peut-être est-ce la cause de la légende qui suggère l'existence d'un pot contenant de l'or rougeoyant au bout de l'arc-en-ciel...

Arc-en-ciel double (arc secondaire)

Parfois, il est possible de voir aussi ce qu'on appelle un arc-en-ciel secondaire. L'arc-en-ciel primaire, que nous avons simplement appelé "arc-en-ciel", est toujours un arc interne et plus proche de l'observateur que de l'arc-en-ciel secondaire. Si la lumière qui tombe sur la goutte d'eau fait au moins deux réfractions et trois réflexions internes, nous pouvons déduire sa trajectoire.

Le résultat est la formation d'un arc-en-ciel secondaire de couleurs inversées, plus faible et qui reste au-dessus du primaire. Son affaiblissement est dû à la lumière qui est réfractée et s'éteint dans chaque réflexion interne.

Un arc-en-ciel double :

Les couleurs d'un arc secondaire dans un arc-en-ciel double sont inversées par rapport au primaire (généralement plus lumineux).

Les angles formés par les rayons incidents et réfractés vers l'oeil sont plus grands dans le rayon secondaire : 50 ° pour la lumière rouge et 54 ° pour la violette. Nous avons vu que dans la formation du primaire, l'angle était de 132 ° pour la lumière rouge, c'est-à-dire de 42 ° par rapport à l'observateur.

L'ordre des couleurs dans l'arc secondaire est inversé en raison de la double réflexion interne. Théoriquement, il peut y avoir plus de trois réflexions internes, ce qui donnerait quatre et cinq arcs. Le troisième et le quatrième seraient entre l'observateur et le soleil et pourraient ne jamais être vus.

Le cinquième intervient dans la même zone du premier et du second et n'est pas perceptible parce qu'il est très ténu. Il est possible, dans une expérience de laboratoire, de démontrer que jusqu'à 13 arcs visibles peuvent être obtenus, bien que, logiquement, leur luminosité soit considérablement réduite.

Il est intéressant de noter qu'aucune lumière n'apparaît dans la région entre les arcs primaires et secondaires.

Cela coïncide avec certaines observations, qui indiquent que la région entre les deux arcs est très sombre, tandis que dans la partie extérieure de l'arc secondaire et dans la partie interne de l'arc primaire, une quantité considérable de lumière est visible, ce qui est dû à la réflexion de la lumière blanche concentrée juste avant sa réfraction pour former l'arc-en-ciel.

Cette zone sombre intermédiaire est due à l'intensité du rideau d'eau, qui absorbe autant de lumière que possible à l'intérieur, de sorte que l'arc secondaire est simplement un reflet du primaire dans la direction de l'observateur.

Dans certains cas, lorsque les arcs primaires et secondaires sont très brillants, un troisième peut être vu à l'intérieur du primaire et un quart à l'extérieur du secondaire. Ces arcs sont appelés arcs surnuméraires et sont dus à des effets spéciaux d'interférence lumineuse.

Comment le voir ?

Quand quelqu'un regarde un arc-en-ciel, ce qu'il voit réellement, c'est la lumière dispersée par certaines gouttes de pluie. Une autre personne à côté du premier observateur verra la lumière dispersée par d'autres gouttes. On peut donc dire que tout le monde voit son propre arc-en-ciel, différent (parlant au sens strict) duquel tous les autres voient.

Il est courant d'essayer d'estimer la position de l'arc, en particulier ses "extrémités", c'est-à-dire, où il disparaît parce qu'il n'y a pas de gouttes qui décomposent la lumière. Mais l'arc-en-ciel est, en fait, un cône iris : toutes les gouttes situées dans la même position par rapport au spectateur et le soleil décomposent la lumière de la même manière.

S'il n'y a que des gouttes lointaines, dans le spectateur vous aurez la perception que l'arc est dans une certaine position. D'un autre côté, si quelques gouttes sont proches et que d'autres sont distantes, le spectateur percevra que la situation de l'arc est indéterminée.

Si les conditions météorologiques et le site d'observation sont parfaits, la pluie et le Soleil travaillent ensemble pour créer un anneau de lumière complet, appelé arc-en-ciel circulaire, comme celui vu le 6 août 2007 sur l'île de Langkawi en Malaisie. Dans les arcs-en-ciel normaux le rouge est la couleur extérieure, et le violet l'intérieur, mais dans les circulaires la variation est le contraire.

En ce qui concerne les conditions pour voir un arc-en-ciel sont réduits à ce que l'observateur doit être situé entre le soleil et une pluie de gouttes sphériques (une pluie uniforme). Il est possible que l'observateur croie que la pluie n'est pas uniforme là où il est, mais elle doit être d'où il pourrait localiser l'arc-en-ciel.

Et quand les gouttes sont sphériques ? Les gouttes sont sphériques lorsqu'elles tombent à une vitesse uniforme et constante. Ceci est possible dans des conditions d'accélération gravitationnelle en comptant sur les forces visqueuses opposées de l'air. Quand il est satisfait que la vitesse des gouttes est uniforme, la goutte acquiert un volume maximum avec la surface minimale (sphère).

Seulement dans ces conditions est possible la diffusion de la lumière dans la goutte et donc l'arc-en-ciel, bien que de légères variations de la sphère puissent donner diverses variations dans un arc-en-ciel. Par conséquent, la pluie ne devrait pas être torrentielle (voir les pluies torrentielles), ni être affectée par le vent. C'est pourquoi l'arc-en-ciel n'est pas toujours contemplé quand il y a de la pluie et du soleil.

Il est important de noter la hauteur du Soleil quand on observe un arc-en-ciel, car cela aide à déterminer ce que l'on peut en voir : plus le Soleil est bas, plus la crête arc-en-ciel est élevée et vice versa. Quelqu'un qui peut s'élever un peu au-dessus de la surface de la Terre, se rendrait compte que certains arcs-en-ciel continuent sous l'horizon.

Ceux qui gravissent de hautes montagnes ont parfois réussi à voir une bonne partie des arcs-en-ciel circulaires complets. Mais même les montagnes ne sont pas assez hautes pour être en mesure de voir un arc-en-ciel circulaire dans son intégralité.

Les aviateurs ont parfois rapporté avoir vu de véritables arcs de cercle, curieusement passés inaperçus par les passagers de leur avion. Cela peut être dû au fait que les fenêtres des voyageurs sont très étroites et offrent un champ de vision très étroit, contrairement à l'impressionnant champ visuel qu'a le pilote.

Arc-en-ciel lunaire

Un arc-en-ciel lunaire est formé par la polarisation de la lumière provenant de la réflexion de la lumière du soleil par la Lune. Ceux-ci interviennent généralement les nuits de pleine lune où l'humidité (des nuages) le permet, ou à proximité des affluents de l'eau tels que des cascades, qui permettent aux différentes molécules d'eau en suspension de réfracter la lumière.

Un arc-en-ciel lunaire en pleine lune :

Les arcs lunaires sont relativement faibles, en raison de la faible quantité de lumière provenant de la Lune. Comme les arcs-en-ciel solaires, les arcs lunaires sont toujours du côté opposé du ciel d'où vient le clair de lune.

Les meilleures conditions pour qu'un arc-en-ciel lunaire survienne sont :

• Ciel clair.
• Pleine lune (quand la lumière de la lune est la plus brillante).
• Juste après le crépuscule ou avant le crépuscule du matin (quand la lune est encore basse).
• Humidité abondante (il est donc plus facile de les voir dans les cataractes).

Il est difficile de distinguer les couleurs dans un arc-en-ciel lunaire parce que la lumière est généralement trop faible pour exciter les cônes de réception des couleurs de l'oeil. Cependant, les caméras sont capables de capturer différentes couleurs.

Arc-en-ciel de feu

L'arc-en-ciel de feu circumhorizontal (c'est-à-dire horizontal à la surface de la terre) ou les feux de la Saint-Martin est le résultat de la polarisation des rayons de lumière venant du Soleil avec l'eau des nuages qui sont à haute altitude. Il apparaît comme un arc-en-ciel légèrement déformé qui donne l'apparence de flammes colorées.

Un arc circumhorizontal est un phénomène optique atmosphérique sous la forme d'un halo semblable à un arc-en-ciel, mais en diffère en ce qu'il est plus court.

Un arc-en-ciel de feu circumhorizontal (feux de la Saint-Martin) :

L'arc-en-ciel de feu circumhorizontal n'est pas causé par la réfraction de la lumière dans les gouttelettes d'eau, mais par les cristaux de glace dans les cirrus. Il est parfois appelé les feux de la Saint-Martin.

L'arc-en-ciel circumhorizontal n'existe que lorsque le soleil est haut dans le ciel, au moins 58 ° au-dessus de l'horizon, et ne peut exister qu'en présence de cirrus. Par conséquent, il ne peut être observé à des latitudes supérieures à 55 °, sauf occasionnellement dans les montagnes.

Le phénomène est assez rare car les cristaux de glace doivent être alignés horizontalement pour réfracter le Soleil. L'arc se forme lorsque les rayons lumineux pénètrent dans les cristaux hexagonaux plats orientés horizontalement à travers une face latérale verticale, et sortent sur le côté inférieur.

C'est l'inclinaison à 90 ° qui produit les couleurs, et si l'alignement des cristaux est correct, cela fait briller le cirrus complet comme une flamme arc-en-ciel.

Un arc circumhorizontal peut être confondu avec un arc infralatéral lorsque le Soleil est haut dans le ciel; le premier est toujours orienté horizontalement tandis que le second est orienté comme une section d'arc-en-ciel, par exemple comme une arche s'étendant sur l'horizon.

Arc-en-ciel blanc

Un arc-en-ciel blanc (ou arc blanc) ou arc-en-ciel de brouillard est semblable à un arc-en-ciel, mais en raison de la petite taille des gouttelettes d'eau qui causent le brouillard, moins de 0,05 mm, les iris de brouillard ont des couleurs très faibles, un bord externe rougeâtre et un intérieur bleuâtre.

Dans certains cas, lorsque les gouttelettes sont très petites, elles semblent blanches. Un arc-en-ciel de brouillard peut être vu dans les nuages, généralement à partir d'un avion regardant vers le bas et ensuite appelé "arc-en-ciel de nuage".

Lorsque les gouttelettes qui le forment ont presque la même taille, l'arc-en-ciel de brouillard peut avoir plusieurs anneaux surnuméraires intérieurs, qui sont très fortement colorés plus que l'arc-en-ciel principal.

Un arc-en-ciel blanc :

Un arc-en-ciel blanc de brume, vu en 360 degrés.

Le manque de couleurs de l'arc-en-ciel blanc de brouillard est le résultat des plus petites gouttes d'eau, si petites que la longueur d'onde de la lumière devient importante. La diffraction brouille les couleurs qui seraient créées avec de plus grandes gouttes d'eau.

Un arc-en-ciel de brouillard peut être vu dans la même direction qu'un arc-en-ciel, donc le soleil serait derrière la tête de l'observateur et la direction de la vue serait vers un banc de brouillard (qui ne peut être distingué dans les directions éloignées de l'arc-en-ciel lui-même). Son rayon extérieur est légèrement plus petit que celui d'un arc-en-ciel.

Quand un arc blanc apparaît la nuit, on l'appelle un arc-en-ciel blanc lunaire.

Découverte

L'arc-en-ciel est composé d'arcs de couleurs concentriques, sans solution de continuité entre eux, avec du rouge vers l'extérieur et du violet vers l'intérieur. Le 13 octobre, un passager se préparait à voyager de Chicago à Miami sur un vol qui partait de l'aéroport O'Hare.

Comme il y avait eu une pluie légère et qu'il y avait de l'humidité dans l'environnement, à l'aéroport, il est apparu dans les arcs-en-ciel. Une fois que l'avion a pris son envol, observant le phénomène coloré de l'air, le passager a "découvert" qu'il ne s'agissait pas d'un "arc", mais d'un "cercle" contenant la décomposition chromatique décrite.

De plus, le passager a remarqué que le "cercle" n'est pas un phénomène statique, mais change de position lorsque nous nous rapprochons ou nous éloignons de celui-ci.

Moins fréquent est le double arc-en-ciel, qui comprend un second arc plus ténu aux couleurs inversées, c'est-à-dire le rouge vers l'intérieur et le violet vers l'extérieur.

Bien que l'arc-en-ciel soit un gradient continu de couleurs spectrales, on considère qu'elles peuvent être définies en sept couleurs fondamentales : rouge, orange, jaune, vert, cyan-indigo, bleu et violet, équivalentes à celles mentionnées par le scientifique Isaac Newton en 1704.

Dans le système RGB, qui est un modèle de couleurs claires, correspond à trois couleurs primaires, deux secondaires et deux tertiaires.

Histoire

Il y a plus de trois siècles, Isaac Newton a pu démontrer à l'aide d'un prisme que la lumière blanche du Soleil contient des couleurs allant du rouge, passant à travers l'orange, le jaune, le vert, le bleu et l'indigo au violet. Cette séparation de la lumière dans les couleurs qui la composent s'appelle la décomposition de la lumière blanche.

L'expérience de Newton n'est pas difficile à reproduire, puisqu'il n'est pas nécessaire d'avoir des instruments scientifiques spéciaux pour la réaliser.

Même aujourd'hui, il s'avère être l'un des plus beaux et instructifs pour les étudiants débutants en optique dans l'enseignement de base, moyen et supérieur. Il peut être réalisé avec un prisme qui, traversé par un faisceau de lumière blanche du soleil, fait réfracter le rayon de soleil et sortir du côté opposé décomposé dans les sept couleurs déjà mentionnées.

Mais plusieurs siècles avant la naissance de Newton, la nature avait déjà décomposé la lumière du soleil encore et encore devant les yeux de nos ancêtres. Parfois, après une bruine; d'autres, une tempête.

La vérité est que l'arc-en-ciel a longtemps été un phénomène aussi étonnant qu'impressionnant. Parfois pris comme porteur d'augures, dans d'autres comme l'inspiration d'une légende, et toujours comme oeuvre d'art, l'être humain n'a jamais cessé de paraître merveilleux.

La théorie complète de l'arc-en-ciel était cependant antérieure à Newton : au Moyen Age, Théodoric Freiberg fournit l'une des premières théories sur la nature de l'arc-en-ciel, puis développée par Antonius de Demini en 1611, puis affiné par René Descartes.

Plus tard, la théorie moderne a été proposée sous la forme initiale par Thomas Young et, plus tard, élaborée en détail par Richard Potter et George Biddell Airy.

En rapport avec "arc-en-ciel"

• poisson arc-en-ciel

  

  Le poisson arc-en-ciel obtient ce qualificatif par l'étonnante irisation et iridescence de couleurs des livrées des poissons Athériniformes.

• Marosatherina ladigesi

  

  Le poisson arc-en-ciel des Célèbes Marosatherina ladigesi est originaire de petits cours d'eau des Célèbes, mieux connue comme l'île de Sulawesi, dans...

• Nematocentris fluviatilis

  

  Le genre Nematocentris a été décrit par Peters en 1867 et veut dire : aiguillon (=rayon de nageoire) à filament (=prolongation molle).

• Melanotaenia boesemani

  

  Le poisson arc-en-ciel de Boeseman Melanotaenia boesemani est strictement originaire et endémique des Grands Lacs Ayamaru dans le centre de la péninsule...