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Soubhana Allah: comment... se forme un arc-en-ciel ?

 

 

D'où vient cette magnifique bande multicolore que l'on observe après un orage ? Pour le comprendre, plongée dans l'univers de la lumière.

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Dans l'antiquité, les arcs-en-ciel intriguaient les savants : Aristote pensait par exemple qu'ils étaient dus à la réflexion du soleil sur les nuages. Mais c'est Isaac Newton, qui en 1666 expliqua l'origine de ses couleurs.

Il faut d'abord savoir que la couleur est la manifestation d'une lumière (elle-même une onde électromagnétique) d'une certaine longueur d'onde (1). Le domaine du visible s'étend d'une longueur d'onde de 400 nanomètres (correspondant à ce que nos yeux perçoivent comme du violet) à une longueur d'onde de 670 nanomètres (le rouge).

Mais la lumière émise par le Soleil est "blanche", c'est à dire qu'elle se compose d'une sorte de mélange d'ondes lumineuses de longueurs d'onde (donc de couleurs) différentes. Si l'on décompose cette lumière blanche en ses constituants, on obtient le spectre de la lumière visible. Une décomposition qui intervient lors du phénomène de diffraction.

Or, lorsqu'il pleut, chaque goutte d'eau réalise une diffraction : celle-ci réfléchit la lumière blanche du Soleil en déviant ses différentes composantes suivant des angles différents. Apparaissent ainsi sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet.

Morceau de cercle visible
L'angle de déviation dépend en effet de la longueur d'onde : on peut donc voir un arc avec les différentes couleurs successives. 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° (ces angles correspondent aux angles Soleil-goutte-oeil). Voici pourquoi le rouge est vu au bord supérieur de l'arc en ciel par l'observateur.

Et voilà aussi pourquoi il faut donc, pour observer l'arc-en-ciel, que le soleil soit situé au-dessous de 42° de hauteur. Peu de chance d'en observer un à midi ! Inversement, plus le soleil est bas sur l'horizon, et plus l'arc-en-ciel est haut. Mais vous ne pourrez jamais voir un demi-cercle complet, à moins d'être en montagne ou dans un avion. Dans ce dernier cas, on peut même voir le cercle en entier.

Le spectre de la couleur visible.
© UJF Grenoble
Par ailleurs, selon la grosseur des gouttes, l'arc-en-ciel sera plus ou moins coloré. En effet, les gouttes très fines (dans le cas de la bruine par exemple), dispersent mal la lumière : l'arc-en-ciel sera très pâle.

Arc-en ciel double
Parfois, un second arc-en-ciel, plus large, peut être aperçu au-dessus de l'arc primaire. Il est du à une deuxième réflexion des rayons du soleil à l'intérieur des gouttes de pluie. Son angle est de 52° environ.

Comme la lumière est réfléchie deux fois, les couleurs sont inversées par rapport à un arc-en-ciel primaire, et il est aussi plus pâle et donc moins visible. En théorie, on pourrait d'ailleurs voir un nombre infini d'arcs-en-ciel, issus des multiples réflexions dans la goutte d'eau. En laboratoire, on a pu ainsi en compter 19 !

Malheureusement, dans la réalité le ciel n'est pas assez sombre pour que ces arcs-en-ciel soient visibles. Il arrive aussi qu'on voie des arcs surnuméraires à l'intérieur du premier arc. Souvent dans les teintes vertes et roses, ils ne sont pas dus aux réflexions du soleil dans les gouttes d'eau, mais à des interférences lumineuses entre les gouttes.

En général, un arc-en-ciel ne dure guère plus d'une demi-heure (le plus long a duré six heures, observé en Grande-Bretagne). On peut aussi en apercevoir à proximité des grandes chutes d'eau et des cascades, ou dans son jardin… en arrosant ses bégonias.

1) La longueur d'onde est la longueur séparant deux crêtes d'une onde périodique, ce qui est le cas des ondes électromagnétiques. Pour le visualiser, imaginez une courbe sinusoïdale. La longueur d'onde l est liée à la fréquence f par la relation l = c / f, où c est la vitesse de la lumière.

http://www.linternaute.com/

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