Comment comprendre la dispersion de la lumière et la formation de l'arc-en-ciel

La nature de la lumière solaire

Pour comprendre la formation des arcs-en-ciel, il est crucial de connaître la composition de la lumière solaire. La lumière que nous percevons comme blanche est en réalité composée de plusieurs couleurs différentes. Ces couleurs peuvent être séparées par la dispersion de la lumière.

En physique, la lumière solaire est considérée comme une combinaison de toutes les couleurs visibles, de l'extrémité bleue à l'extrémité rouge du spectre lumineux. Chaque couleur correspond à une longueur d'onde spécifique. Par exemple, la lumière bleue a une longueur d'onde plus courte, tandis que la lumière rouge en possède une plus longue.

Lorsque cette lumière passe d'un milieu à un autre, elle subit un changement de direction appelé réfraction. C'est ce même phénomène qui cause la décomposition de la lumière lorsqu'elle traverse un prisme ou des gouttelettes d'eau dans l'atmosphère.

Le rôle des gouttes d'eau dans la formation de l'arc-en-ciel

Réfraction et dispersion de la lumière

Lorsqu'une lumière entre dans une goutte d'eau, elle ralentit et change de direction – c'est le phénomène de réfracter la lumière. Le degré de courbure dépend de la longueur d'onde de chaque couleur. Cette différence dans l'indice de réfraction pour chaque couleur conduit à la séparation initiale des couleurs, connue sous le nom de dispersion de la lumière.

Les physiciens expliquent souvent ce phénomène en utilisant un prisme. Un prisme sépare la lumière blanche en plusieurs couleurs en fonction de leurs différentes vitesses. De manière similaire, les gouttes d'eau agissent comme de minuscules prismes naturels dans l'atmosphère. Pour plus d'informations, vous pouvez consulter des explications autour des phénomènes optiques.

Réflexion interne totale

Après la première réfraction, la lumière se réfléchit au fond de la goutte d'eau, en se dirigeant vers sa surface interne. Si l'angle de réflexion est suffisant, elle subira une réflexion interne totale, renforçant ainsi la séparation des couleurs.

Cette émission de lumière se produit principalement à un angle d'environ 42 degrés pour la lumière rouge et 40 degrés pour la lumière violette. Les autres couleurs de l'arc-en-ciel apparaissent entre ces deux angles, résultant en un balayage complet des couleurs observable dans l'arc-en-ciel.

De la théorie à la réalité : apparition de l'arc-en-ciel

L'origine géométrique de l'arc-en-ciel découle des angles constants de réflexion interne totale. Chacun de ces rayons lumineux, dispersés à des angles spécifiques, contribue à une portion du cercle que nous observons depuis le sol.

Chaque gouttelette d'eau contribue ainsi à la formation de l'arc, mais un spectre complet nécessite des milliards de gouttes. C'est l'ensemble de ces mille interactions individuelles qui offre un festin de couleurs après la pluie.

Quand on comprend l'émergence de telles couleurs grâce à la science, l'arc-en-ciel devient bien plus qu'une simple curiosité visuelle. C'est une convergence merveilleuse de divers concepts scientifiques réunis dans cet élégant phénomène météorologique.

Les couleurs de l'arc-en-ciel

Au-delà du simple émerveillement, les couleurs formant un arc-en-ciel suivent toujours une commande précise. Elles vont du rouge à l'extérieur au violet à l'intérieur :

• Rouge
• Orange
• Jaune
• Vert
• Bleu
• Indigo
• Violet

Ces couleurs sont le résultat de la mécanisation naturelle de réfracter la lumière blanche en ses composants spectraux. Leur ordre est toujours uniforme parce que la réfraction diffère systématiquement selon la longueur d'onde lumineuse respective.

Facteurs influençant l'apparition des arcs-en-ciel

Angle et position du soleil

Un facteur essentiel pour observer un arc-en-ciel est la position du soleil. L'idéal est d'avoir le soleil bas dans le ciel, typiquement moins de 42 degrés au-dessus de l'horizon. Cela rend possible l'angle requis pour que la lumière solaire se réfracte et se réfléchisse correctement à travers les gouttelettes d'eau, formant ainsi un arc visible.

Plus précisément, étant donné que l'angle critique (environ 42 degrés) est nécessaire pour produire un arc-en-ciel, cela limite son observation aux heures tôt le matin et tard l'après-midi. En conséquence, vous ne verrez pas d'arc-en-ciel lorsque le soleil est directement au-dessus.

Taille et densité des gouttelettes d'eau

La taille et la concentration des gouttelettes jouent également un rôle crucial. Des petites gouttes produiront un arc coloré plus diffus mais plus large, tandis que des gouttes plus grandes créent un arc plus brillant et plus distinct, en raison de meilleures réfraction et dispersion de la lumière.

Des conditions idéales comprennent une pluie légère avec quelques rayons de soleil perçant les nuages. Les averses abruptes ou les brumes fines ont tendance à disperser trop rapidement la lumière, affectant négativement la visibilité des arcs-en-ciel.

Phénomènes optiques associés

Double arc-en-ciel

Parfois, on peut observer un second arc, beaucoup plus pâle et inversé par rapport au premier. Ce phénomène apparait suite à une double réflexion interne au sein des gouttelettes et produit un effet secondaire connu sous le nom de "double arc-en-ciel". Le deuxième arc est généralement visible à environ 10 degrés au-dessus du premier.

Il convient de noter que le second arc présente ses couleurs dans un ordre inverse, avec le rouge à l'intérieur et le violet à l'extérieur. Cette inversion est causée par la trajectoire supplémentaire parcourue par les faisceaux lumineux à l'intérieur des gouttelettes avant de sortir finalement vers l'observateur.

Arcus circum horizonal et autres variantes

Bien que l'arc-en-ciel classique soit le plus fréquemment observé, d'autres formes d'arcs existent. Par exemple, un arcus circum horizonal, qui ressemble parfois à un "sourire céleste", survient uniquement dans des conditions atmosphériques très précises où les rayons du soleil forment un angle supérieur à 58 degrés par rapport aux cristaux de glace horizontaux présents dans les nuages cirrus.

Il existe aussi des arcs-en-ciel monochromatiques, dépendants de sources lumineuses étroites, comme celles émises par les lampadaires par temps de brouillard. Tandis que des arcs surnuméraires contenus juste en dessous du principal, révèlent des franges très serrées de plusieurs couleurs alternées, dues aux interférences de la lumière fortement diffractée dans des très petites gouttes d'eau.

La formation d'un arc-en-ciel résulte de nombreux aspects de notre monde physique, combinée de manière spectaculaire. Grâce à la réfraction, la dispersion de la lumière, et la réflexion interne dans les gouttelettes d'eau, nous pouvons assister à ce phénomène optique impressionnant. Non seulement est-il un plaisir pour les yeux, mais il rappelle aussi la complexité élégante des lois naturelles qui gouvernent notre univers. Que ce soit le double arc-en-ciel, l'apparition moins fréquente d'arcs circum horizonaux, ou simplement les bandes de couleurs après une pluie, chaque manifestation nous rattache à la beauté intrinsèque de la science et de la nature.