L'arc-en-ciel

L'arc-en-ciel est un phénomène lumineux naturel qui nous transmet le spectre de la lumière, par réflexion dans des gouttelettes d'eau en suspension dans l'air, comme des nuages par exemple. Cet arc nous apparait comme une composition de couleurs, dont le rouge est à l'extérieur de l'arc et le violet à l'intérieur, entre ces deux couleurs se trouvent, le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu et le violet. L'ensemble des gouttes éclairées par le soleil apparaissent colorées, à un observateur qui se situe dans un angle « soleil-goutte-œil » d'environ 42°. Plus le soleil est bas sur l'horizon, plus l'arc monte dans le ciel et inversement. Lorsque le soleil passe au-dessus des 41° par rapport à l'horizon, l'arc-en-ciel n'est plus visible, ce qui explique pourquoi les arcs-en-ciel ne sont visibles que le matin ou le soir, par un observateur qui se situe au niveau de la mer.

Quelques fois, lorsque l'arc-en-ciel est très lumineux, on observe un arc secondaire beaucoup plus pâle. Cet arc secondaire qui se situe à l'extérieur de l'arc-en-ciel, est le résultat d'une double réflexion à l'intérieur des gouttes d'eau. Cette double réflexion provoque un renversement des couleurs.
Il est possible de créer un arc-en-ciel artificiel dans son jardin. Pour cela il faut, avec un jet d'eau qui diffuse de fines gouttelettes, tourner le dos au soleil pour apercevoir, sous un angle de 42°, un arc-en-ciel.

Image : on peut remarquer sur cette photo personnelle, un arc secondaire beaucoup plus pâle, dont les couleurs sont inversées.
© 2013 Astronoo

Pour comprendre le phénomène lumineux de l'arc-en-ciel, il faut le représenter, dans l'ensemble du spectre électromagnétique dans lequel il se situe. Le spectre électromagnétique comprend toutes les plages d'ondes Une onde est un phénomène physique qui se propage à la surface de l’eau, dans l’air ou dans le vide. L'onde électromagnétique est une perturbation du champ électromagnétique qui nous entoure. Cette perturbation se déplace sans se déformer et sans emporter de matière. On se sert des ondes pour transporter des informations à distance, sa vitesse maximale de propagation est de 299 792 458 m/s.  électromagnétiques, de la plus basse à la plus haute fréquence. Il s'étale, des rayons gamma aux ondes de basses fréquences, en passant par les rayons X, les rayons ultraviolets, la lumière visible, les rayons infrarouges, les micro-ondes et les ondes radios. Alors que l'œil humain n'utilise qu'une petite plage de ce spectre, les hommes ont intelligemment utilisé toutes ses plages pour développer leurs technologies, le nucléaire, la radioscopie, les télécommunications, l'observation satellite, les radios FM, la télévision,...
La lumière visible n'est qu'une petite plage de vibrations électromagnétiques que l'on trouve dans le spectre électromagnétique (voir image ci-contre). Les différentes fenêtres du spectre électromagnétique se caractérisent par une longueur d'ondes, mais aussi par une plage de fréquences, bien définies. La fréquence est le nombre d'oscillations électromagnétiques qui passent par un point donné en une seconde. Elle s'exprime avec l'unité de fréquence qui est le hertz. Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée et donc dangereuse pour la santé. La fréquence est donc inversement proportionnelle à la longueur d'onde. Ces ondes électromagnétiques, dont le vecteur est le photon, filent à la vitesse de 299 792 458 m/s, on retiendra, 300 000 km/s.

nota : à cette vitesse, un rayon lumineux, émis par le Soleil, met environ 8 minutes pour parvenir sur Terre.
Contrairement aux ondes sonores, qui ont besoin d'un support matériel pour se propager (air, eau ou la matière en général), les ondes électromagnétiques voyagent mieux dans le vide, car elles sont atténuées ou déviées par les obstacles, selon leur longueur d'onde et la nature du matériau rencontré.

L’homme et toute la nature sont exposés aux rayonnements depuis toujours. Les rayonnements solaires, exposent l'homme à la lumière visible provenant du Soleil, mais aussi aux rayonnements invisibles, rayonnements ultraviolets et infrarouges. Ces rayonnements sont des ondes électromagnétiques, comme le sont aussi les ondes radios, les rayons X et les rayons gamma.
Ce sont les éléments radioactifs présents dans notre environnement, qui émettent des rayonnements gamma (γ), lors de leurs désintégrations nucléaire.
Ces rayons gamma sont des photons de haute énergie à très courte longueur d'onde et donc dangereux.

Image : Décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes fréquences. Ce rayonnement s'étale des rayons gamma, aux ondes de basses fréquences en passant par les rayons X, les rayons ultraviolets, la lumière visible, les rayons infrarouges, les micro-ondes et les ondes radios.
Les rayonnements ionisants sont potentiellement dangereux, parfois mortels pour les organismes vivants.

Les couleurs sont d'abord une perception humaine de la lumière, qui est elle même une onde électromagnétique. Cette perception est directement liée à notre système optique, que sont nos yeux. Nos yeux ont 3 capteurs (cônes) photosensibles qui perçoivent essentiellement le rouge, le vert et le bleu. De cette perception, nous avons défini des types de couleurs : les couleurs primaires (le rouge, le vert et le bleu), les couleurs complémentaires (le magenta, le cyan et le jaune). Dans l'arc-en-ciel, les gouttelettes de pluie, décomposent la lumière en six couleurs. Newton reproduisit ce phénomène en décomposant la lumière solaire grâce à un prisme en verre à base triangulaire. Le physicien Young fit le contraire, il recomposa la lumière blanche en faisant converger les six couleurs du spectre et démontra que trois couleurs suffisaient. C'est ainsi qu'on différencia les couleurs primaires, des couleurs secondaires. En mélangeant une quantité égale de deux couleurs primaires, on obtient les couleurs secondaires.
Une couleur primaire, fondamentale ou élémentaire est une couleur dont le mélange avec ses homologues permet de reproduire une grande palette de couleurs.
Une couleur secondaire est une couleur obtenue par le mélange de deux couleurs primaires. Les couleurs secondaires en synthèse additive sont les couleurs primaires en synthèse soustractive, et vice-versa. La complémentaire d'une couleur secondaire est la troisième couleur primaire. Par exemple, le rouge obtenu par le mélange de jaune et de magenta en synthèse soustractive est la couleur complémentaire du cyan, troisième couleur primaire.

Une couleur est donc la perception de l'œil humain d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses.
Le spectre lumineux est une petite fenêtre du spectre électromagnétique, qui va de la longueur d'onde de 400 nanomètres à la longueur d'onde de 780 nanomètres.
C'est dans cette zone que nos yeux captent les informations lumineuses. Les cônes sont des cellules réceptrices situées au fond de l'œil, qui transforment le signal électromagnétique de la lumière, en signal électrique permettant la vision diurne.

La vision nocturne est assurée par les bâtonnets qui permettent la vision scotopique, c'est-à-dire dans un environnement à faible luminosité.
Les bâtonnets ne perçoivent pas les couleurs et donc l'image obtenue est en noir et blanc, nuancée de gris.

Image : La synthèse additive trichrome nous permet d'afficher toutes les couleurs sur nos ordinateurs.