arc-en-ciel

Après une averse, tournez le dos au Soleil et regardez vers les gouttes encore suspendues dans l’air. La lumière blanche y change de direction, se réfléchit à l’intérieur, puis ressort en séparant ses teintes.

Chaque goutte participe ainsi au phénomène aperçu par l’observateur. Les couleurs semblent former des bandes, mais elles appartiennent à un spectre continu : entre le violet et le rouge, il existe une infinité de nuances.

Un arc-en-ciel est un phénomène d’optique atmosphérique produit par de la lumière solaire et des gouttelettes d’eau en suspension dans l’air. Pour l’observer dans la situation typique décrite ici, le Soleil brille derrière l’observateur tandis que des gouttes de pluie se trouvent dans la direction regardée.

Trois phénomènes se combinent dans les gouttelettes. La réfraction change la direction de la lumière lorsqu’elle entre dans l’eau ou en ressort. La réflexion interne renvoie une partie de cette lumière à l’intérieur de la goutte. La dispersion sépare les teintes de la lumière blanche, car elles ne suivent pas toutes exactement le même trajet.

Le résultat visible est un spectre continu, du violet au rouge, et non sept compartiments naturels. Les sept couleurs rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet constituent la convention répertoriée par Newton. D’autres cultures ont retenu un autre nombre de couleurs. Décrit dès l’Antiquité, le phénomène fut étudié au XIV^e siècle par des savants persans, dont Al-Farisi, puis expliqué plus rigoureusement au XVII^e siècle par les travaux de Descartes sur la réfraction et de Newton sur la décomposition de la lumière.

Une averse laisse des gouttelettes en suspension tandis que le Soleil brille dans un ciel partiellement couvert. Les données utiles sont la lumière solaire, les gouttes d’eau et la position de l’observateur, dos au Soleil.

1. La lumière blanche atteint une goutte. En entrant dans l’eau, elle est réfractée : sa direction change et ses teintes commencent à se séparer.

2. Une partie de la lumière subit une réflexion interne dans la goutte. Son trajet est renvoyé vers le côté où se trouve l’observateur.

3. En ressortant, la lumière est de nouveau réfractée. La dispersion rend visibles des directions différentes pour les teintes du spectre.

Le contrôle est observable : pour voir l’arc-en-ciel primaire décrit, l’observateur regarde des gouttes situées autour de la direction antisolaire, à l’écart angulaire correspondant à la portion d’arc visible. Avoir le Soleil globalement derrière soi place l’observateur dans cette configuration.

Pour chercher un arc-en-ciel après la pluie, l’observateur place le Soleil dans son dos et regarde vers les gouttelettes encore présentes dans l’air. Un ciel partiellement couvert peut réunir simultanément lumière solaire et pluie.

Pour interpréter les couleurs, il vaut mieux penser à un spectre continu qu’à sept bandes séparées. Les sept noms usuels servent de repères conventionnels ; ils ne suppriment pas les nuances intermédiaires.

Pour expliquer le phénomène physique, on suit le trajet de la lumière dans une goutte : changement de direction, réflexion interne, puis sortie dispersée. Pour étudier ses significations culturelles, cette analyse optique ne suffit pas ; il faut alors considérer les symboles et croyances propres aux mythologies.

Réfraction et réflexion interne. La réfraction se reconnaît au changement de direction de la lumière lorsqu’elle entre dans l’eau ou en ressort. La réflexion interne la renvoie au sein de la goutte. Dans le trajet d’un rayon produisant l’arc-en-ciel, les deux phénomènes interviennent sans être interchangeables.

Dispersion et simple changement de direction. Un rayon réfracté change de direction ; la dispersion se manifeste lorsque les teintes de la lumière blanche se séparent. Si l’on décrit seulement une déviation sans séparation des teintes, on n’a pas encore caractérisé la dispersion qui contribue à l’arc-en-ciel.

Phénomène physique et symbole. L’optique décrit la formation de l’arc-en-ciel à partir de lumière et de gouttelettes. Les significations issues des mythologies relèvent de croyances et de récits : elles n’expliquent pas le trajet de la lumière dans l’eau.

Le piège des sept bandes. Compter exactement sept couleurs donne l’impression de frontières nettes. Or le spectre est continu et contient une infinité de teintes entre le violet et le rouge. Les sept noms répertoriés par Newton sont une convention, pas un découpage physique obligatoire.

Une convention qui varie. Le nombre de couleurs retenu n’est pas universel : d’autres cultures ont adopté un autre décompte. Il faut donc distinguer les teintes du phénomène et les catégories utilisées pour les nommer.

La pluie seule ne suffit pas. Des gouttes visibles sans lumière solaire, ou un Soleil qui n’est pas dans le dos de l’observateur, ne réunissent pas la configuration typique de la source. Il faut vérifier ensemble l’éclairage, les gouttelettes en suspension et la position d’observation.

Trois mécanismes, pas un seul. Attribuer l’arc uniquement à la réfraction laisse de côté la réflexion interne et la dispersion. L’explication complète suit leur combinaison au sein des gouttelettes.

Le glossaire angle de réfraction précise la grandeur qui décrit le changement de direction de la lumière à l’entrée ou à la sortie d’un milieu.

La fiche Réflexion approfondit le renvoi d’un rayon lumineux, mécanisme qui intervient à l’intérieur des gouttelettes.

La fiche Spectre prolonge l’étude de la décomposition continue de la lumière, au-delà de la convention des sept couleurs.