Que sont les arcs-en-ciel ?

Soleil bas et gouttes d’eau

Un arc-en-ciel ne peut se former que dans les conditions suivantes :

1. Le Soleil doit être au-dessus de l’horizon et ne pas être obscurci par des nuages, des montagnes ou d’autres obstacles.
2. Le Soleil doit être assez bas dans le ciel. Si vous êtes à la même altitude que votre horizon, l’altitude du Soleil doit être inférieure à 42° pour créer un arc-en-ciel visible depuis votre perspective. Tableau des altitudes solaires
3. L’air opposé au Soleil, vu de votre position, doit être rempli d’un grand nombre de gouttelettes d’eau.

Les arcs-en-ciel apparaissent toujours dans le ciel opposé au Soleil. Ainsi, si vous êtes dos au Soleil, l’arc-en-ciel arquera le ciel devant vous.

Les arcs-en-ciel peuvent également apparaître la nuit

Comment se forment les arcs-en-ciel ?

Un arc-en-ciel est un phénomène optique qui implique trois processus : la réflexion, la dispersion et la réfraction.

Réflexion

Les gouttelettes d’eau peuvent agir comme de petits miroirs. Lorsqu’un rayon de soleil frappe une de ces minuscules sphères d’eau, la majeure partie de la lumière rebondit sur sa paroi arrière et est renvoyée. Pendant une averse, l’air est plein de gouttelettes d’eau qui agissent ensemble comme un rideau réfléchissant fait de millions de miroirs minuscules qui vous renvoient la lumière du soleil.

Dispersion

Mais la lumière du soleil est blanche – alors, si les gouttelettes d’eau reflètent la lumière du soleil, comment l’arc-en-ciel obtient-il ses couleurs ? C’est là qu’intervient le deuxième processus : la dispersion de la lumière.

La lumière solaire pure peut nous paraître blanche, mais elle est constituée de toutes les couleurs visibles. Dès qu’un rayon de lumière solaire pénètre dans une gouttelette d’eau, il est divisé en ses composants, ce qui fait que ses couleurs se dispersent et deviennent visibles sous la forme d’un spectre de couleurs. Cela se produit à la fois lorsque le rayon pénètre dans la gouttelette et lorsqu’il en ressort à nouveau.

Réfraction

Alors que le rayon de lumière pénètre et sort de la gouttelette d’eau, sa direction est également légèrement modifiée dans un processus appelé réfraction. Chaque couleur est réfractée dans une direction marginalement différente, créant l’impression d’un éventail de couleurs. Par exemple, par rapport à la direction du rayon lumineux entrant, la composante lumineuse rouge quitte la gouttelette selon un angle légèrement plus grand que la composante orange.

Les couleurs de l’arc-en-ciel

Cela signifie que chaque gouttelette d’eau vous renvoie toutes les couleurs de la lumière du soleil. Cependant, comme elle reflète et réfracte chaque couleur à un angle légèrement différent, seule une couleur de chaque gouttelette atteint vos yeux. Par exemple, vous ne pouvez voir que la lumière rouge des gouttelettes situées plus haut dans le ciel, et que la lumière orange des gouttelettes situées un peu plus bas.

C’est ainsi que se forment les deux bandes supérieures de l’arc-en-ciel – rouge et orange. Plus bas, les gouttelettes forment un angle encore plus aigu entre vous et le Soleil, de sorte qu’elles vous renvoient les composantes jaune, verte, bleue, indigo et violette de la lumière solaire, créant ainsi les autres bandes de l’arc-en-ciel.

Mémorisez la séquence des couleurs

Si vous avez du mal à vous souvenir de l’ordre des couleurs de l’arc-en-ciel, mémorisez simplement le nom de Roy G. Biv. Ce prénom, ce milieu et ce nom imaginaires sont un acronyme composé de la lettre initiale de chaque couleur, dans l’ordre où elles apparaissent dans un arc-en-ciel. De haut en bas, ce sont : le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet.

Pourquoi un arc-en-ciel est-il incurvé ?

Techniquement, un arc-en-ciel est la moitié supérieure d’un cercle de lumière, qui se centre sur le point antisolaire, le point directement opposé au Soleil, vu de votre perspective. La moitié inférieure du cercle, cependant, n’est généralement pas visible car les gouttelettes d’eau touchent le sol avant qu’il ne puisse se former. Il est possible de voir un arc-en-ciel circulaire si vous avez un point d’observation élevé et que le terrain s’abaisse fortement dans la direction de l’arc-en-ciel, ce qui permet à la pluie de tomber plus bas et de réfléchir la lumière du soleil sous un angle plus faible. Il est également possible de voir un arc-en-ciel circulaire depuis un avion.

La forme d’un arc-en-ciel résulte de l’indice de réfraction de l’eau. Ainsi, la lumière du soleil est réfléchie par les gouttelettes de pluie dans une plage limitée d’angles qui se situent entre 0° et 42°. La plus grande partie de la lumière vous est renvoyée dans une plage angulaire comprise entre 40° pour la lumière violette et 42° pour la lumière rouge. C’est pourquoi le cercle de lumière a toujours une distance angulaire de 40-42° par rapport au point antisolaire, ce qui signifie qu’un arc-en-ciel apparaît toujours à 40-42° du point opposé au Soleil, vu de votre perspective.

Qu’est-ce qu’un arc-en-ciel double ?

Parfois, vous pouvez voir un deuxième arc-en-ciel, plus faible, apparaître au-dessus d’un arc-en-ciel. Cela se produit lorsque la lumière du soleil est réfléchie deux fois à l’intérieur de chaque gouttelette d’eau et redirigée vers vous.

Le deuxième arc-en-ciel n’est pas aussi lumineux que l’arc-en-ciel primaire, car une partie de la lumière du soleil traverse la gouttelette, tandis que la majeure partie est réfléchie. Cela signifie que davantage de lumière s’égare lorsqu’un rayon de soleil est réfléchi deux fois, ce qui laisse moins de lumière à vous renvoyer. Le processus de double réflexion entraîne également une inversion des couleurs de l’arc-en-ciel secondaire. Ici, la bande violette est en haut tandis que la bande rouge apparaît en bas (cliquez sur l’image pour voir ce détail).

La distance angulaire entre le deuxième arc-en-ciel et le point antisolaire est de 50-53°, de sorte que les deux arcs-en-ciel sont toujours séparés d’environ 10°.

Pourquoi la zone située sous l’arc-en-ciel est-elle plus lumineuse ?

Alors que la plupart de la lumière du soleil est concentrée à un angle de 40-42°, une partie est également réfléchie dans la plage de 0-39°. De manière cruciale, l’angle détermine également la mesure dans laquelle la lumière du soleil est dispersée et réfractée. Par exemple, un rayon de lumière qui est réfléchi à 0° – directement là d’où il vient – n’est pas du tout dispersé ou réfracté.

Pour cette raison, nous l’expérimentons comme une lumière blanche. Il en va de même pour la lumière qui est réfléchie à des angles plus élevés, mais dans une mesure légèrement moindre. C’est pourquoi la zone située sous l’arc-en-ciel principal semble comparativement lumineuse, comme le montrent les images.

Bande d’Alexandre

Les propriétés physiques de la goutte d’eau empêchent la lumière du soleil d’être réfléchie à des angles supérieurs à 42°. Par exemple, il est impossible qu’un faisceau lumineux horizontal soit réfléchi à un angle de 90° et envoyé directement vers le sol. Bien que cet angle de réflexion maximal soit un peu différent pour chaque longueur d’onde (couleur), allant de 40° pour la lumière violette à 42° pour la lumière rouge, aucune lumière solaire ne peut être redirigée à des angles dépassant 42°.

Pour cette raison, les gouttelettes d’eau qui sont éloignées de plus de 42° du point antisolaire, vues de votre perspective, ne reflèteront aucune lumière solaire vers vous. C’est pourquoi le ciel au-dessus de l’arc-en-ciel primaire semble beaucoup plus sombre que le ciel en dessous (voir image).

A environ 10° au-dessus de l’arc-en-ciel principal, la lumière du soleil doublement réfléchie du deuxième arc-en-ciel atteint vos yeux, de sorte que le ciel au-dessus de celui-ci est à nouveau un peu plus lumineux, créant l’impression d’une bande de ciel sombre prise en sandwich entre les deux arcs-en-ciel. Ce phénomène est appelé bande d’Alexandre.

Est-ce qu’il y a un pot d’or au bout de l’arc-en-ciel ?

Selon une légende irlandaise, on peut trouver un pot d’or au bout de l’arc-en-ciel. Nous sommes probablement tous d’accord pour dire que c’est très improbable, mais saviez-vous qu’il est possible de réfuter cette affirmation ? En fait, vous avez probablement été au bout de l’arc-en-ciel de nombreuses fois sans vous en rendre compte !

Pour vérifier la véracité de la légende du pot d’or, vous devez vous rendre à l’endroit où un arc-en-ciel touche le sol. Cela peut sembler être un exploit impossible, étant donné qu’un arc-en-ciel est, en quelque sorte, une illusion d’optique. Aussi tangible et réel que puisse paraître un arc-en-ciel lumineux, il est formé d’innombrables petites réflexions de la lumière du soleil qui ne sont visibles que depuis une certaine perspective. Il est donc impossible de s’approcher réellement d’un arc-en-ciel. Si vous vous déplacez vers lui, l’arc-en-ciel reculera à un rythme égal ; une personne qui se tient à l’extrémité de l’arc-en-ciel que vous voyez verra un arc-en-ciel différent, tout aussi inapprochable, plus loin, si les conditions météorologiques le permettent.

Mais dans cette prise de conscience se trouve également une chance de réfuter empiriquement la légende irlandaise. Si vous pouvez voir une autre personne au bout de votre arc-en-ciel, vous pouvez vous tenir au bout de l’arc-en-ciel d’une autre personne, ou du moins d’un arc-en-ciel visible depuis une perspective différente. Ainsi, vous avez probablement été là, au bout de l’arc-en-ciel, même si cet arc-en-ciel particulier était invisible pour vous à ce moment-là.

Alors. Avez-vous trouvé ce pot d’or ?

Sujets : Phénomènes atmosphériques, soleil

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