Arc-en-ciel : formation, couleurs et types d'arcs expliqués

Arc-en-ciel avec son arc secondaire — L'**arc-en-ciel** apparaît comme un arc circulaire dans le ciel, typiquement en position opposée au Soleil. Les couleurs sont ordonnées selon la longueur d'onde, avec le rouge à l'extérieur et le violet à l'intérieur de l'arc. La lumière qui atteint l'œil de l'observateur provient de nombreuses gouttes d'eau dispersées dans l'air, chacune contribuant à la formation de l'arc-en-ciel. On peut remarquer sur cette photo personnelle de 2013, un arc secondaire beaucoup plus pâle, dont les couleurs sont inversées.
Source image : Astronoo

Résumé scientifique

L'article d'Astronoo présente l'arc-en-ciel, un phénomène optique et météorologique résultant de la décomposition de la lumière blanche par les gouttes d'eau en suspension. Il détaille les processus physiques fondamentaux : la réfraction, qui dévie la lumière à l'entrée des gouttes ; la dispersion, qui sépare les longueurs d'onde en couleurs distinctes ; la réflexion interne totale, qui renvoie la lumière à l'intérieur de la goutte ; et une seconde réfraction à la sortie, qui intensifie le spectre visible. L'article explore également les conditions d'observation, les différents types d'arcs (primaire, secondaire, monochrome) et les variations selon les longueurs d'onde.

Qu'est-ce qu'un arc-en-ciel et comment se forme-t-il ?

Cet article est consacré à l'arc-en-ciel, l'un des phénomènes naturels les plus fascinants et les plus étudiés. Mais comment cet arc coloré se forme-t-il dans le ciel ? La réponse réside dans la combinaison de trois processus optiques fondamentaux : la réfraction, la dispersion et la réflexion interne de la lumière au sein des gouttes d'eau. Lorsque la lumière blanche du Soleil pénètre dans une goutte d'eau, elle est réfractée, c'est-à-dire déviée et décomposée en ses différentes couleurs (le spectre visible). Ces couleurs, qui vont du rouge au violet, sont ensuite réfléchies sur la paroi interne de la goutte avant d'être à nouveau réfractées en sortant, formant ainsi l'arc coloré que nous observons. L'angle de 42 degrés entre la lumière incidente et l'arc est constant, ce qui explique pourquoi l'arc-en-ciel apparaît toujours à la même distance angulaire du point antisolaire.

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Phénomène optique des couleurs de l'arc-en-ciel

L'arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique qui se manifeste par une série de couleurs visibles sous la forme d'un arc dans le ciel. Ce phénomène se produit principalement lorsque la lumière blanche du Soleil se décompose en sept couleurs (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet) en passant à travers des gouttes d'eau dans l'atmosphère.

La nature de la lumière blanche et ses longueurs d'onde

La nature de la lumière blanche émise par le Soleil est en réalité un mélange de toutes les longueurs d'onde de la lumière visible. Chaque couleur correspond à une longueur d'onde spécifique:

Rouge : environ 620-750 nm
Orange : environ 590-620 nm
Jaune : environ 570-590 nm
Vert : environ 495-570 nm
Bleu : environ 450-495 nm
Indigo : environ 425-450 nm
Violet : environ 380-425 nm

Origine des sept couleurs selon Newton

Les sept couleurs de l'arc-en-ciel ont été popularisées par Isaac Newton (1643-1727) au XVIIe siècle. Au cours de ses expériences avec un prisme, il a observé que la lumière blanche se décomposait en un spectre de couleurs. Bien que ce spectre soit continu et que les transitions entre les couleurs soient fluides, Newton a décidé de le diviser en sept parties distinctes, s'inspirant de concepts culturels et musicaux, comme les sept notes de la gamme musicale.

Processus physiques impliqués dans la formation d'un arc-en-ciel

La réfraction initiale

Réfraction: Lorsque la lumière blanche (comme celle du Soleil) entre dans une goutte d'eau, elle change de direction, un phénomène appelé réfraction. La lumière se déplace plus lentement dans l'eau que dans l'air, ce qui entraîne un changement de vitesse et de direction de la lumière dans la goutte d'eau.

La dispersion des couleurs

Dispersion: La lumière blanche est constituée de plusieurs longueurs d'onde, chacune correspondant à une couleur différente (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet). En entrant dans la goutte d'eau, les différentes longueurs d'onde de la lumière sont réfractées à des angles différents en raison de leur vitesse de propagation différente dans l'eau. Cela provoque une séparation des couleurs, un processus appelé dispersion.

La réflexion interne totale

Réflexion interne totale: Une fois que la lumière a été réfractée et dispersée, elle atteint la surface opposée de la goutte d'eau. Si l'angle d'incidence de la lumière est supérieur à l'angle critique, la lumière sera complètement réfléchie à l'intérieur de la goutte (réflexion interne totale).

La seconde réfraction et l'intensification du spectre

Deuxième réfraction: Après avoir été réfléchie, la lumière se dirige à nouveau vers la sortie de la goutte d'eau, où elle subit une seconde réfraction. Cela entraîne une nouvelle séparation des couleurs, ce qui intensifie l'effet de dispersion.

Conditions nécessaires pour observer un arc-en-ciel

Pour qu'un arc-en-ciel apparaisse, il faut la présence de gouttes d'eau en suspension dans l'atmosphère, que ce soit sous forme de pluie, de brouillard ou de brume. Il est également indispensable que le Soleil soit bas sur l'horizon, généralement tôt le matin ou en fin d'après-midi, et que l'observateur se trouve entre le Soleil et les gouttes d'eau, avec le Soleil dans son dos.

Dans le cas d'un arc-en-ciel primaire, l'angle d'observation typique est d'environ 42 degrés par rapport à la direction opposée au Soleil. Autrement dit, si l'on trace une ligne imaginaire entre le Soleil et l'observateur, l'arc-en-ciel se forme à 42 degrés au-dessus de cette ligne.

N.B. : L'angle de 42 degrés est une valeur moyenne qui varie selon l'indice de réfraction de l'eau et la longueur d'onde de la lumière. La lumière rouge, dont la longueur d'onde est plus grande, est légèrement plus déviée que la lumière violette, ce qui explique pourquoi le rouge se situe à l'extérieur de l'arc.

Les arcs lumineux

arc lunaire monochrome — L'**arc-en-ciel monochrome**, comme les "lunar rainbows", souvent plus pâles que les arcs-en-ciel colorés.
Source image : astronoo.com (nouvelle fenêtre) — image générée par IA, domaine public.

Types d'arc lumineux

L'arc-en-ciel primaire est le plus connu et le plus lumineux. Il présente un spectre de sept couleurs distinctes, rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet, avec le rouge à l'extérieur et le violet à l'intérieur de l'arc. Il est formé par une seule réflexion interne de la lumière à l'intérieur des gouttes d'eau.
L'arc-en-ciel secondaire, plus rare et plus pâle, apparaît au-dessus de l'arc primaire. Il est produit par deux réflexions internes, ce qui inverse l'ordre des couleurs : le violet se trouve à l'extérieur et le rouge à l'intérieur. Son intensité est environ deux fois moindre que celle de l'arc primaire.
L'arc de rosée, moins courant, se forme au niveau du sol lorsque la lumière du Soleil se réfléchit dans les gouttelettes de rosée déposées sur l'herbe ou les toiles d'araignée. Il est généralement très pâle, voire blanc. L'arc lunaire (ou lunar rainbow) est produit par la lumière de la Lune traversant des gouttes d'eau ; il est si faible qu'il apparaît souvent en blanc à l'œil nu, bien que les photographies à longue exposition puissent révéler ses couleurs.
L'arc surnuméraire est un phénomène plus subtil, il se manifeste par des couches de couleurs pastel supplémentaires situées juste à l'intérieur de l'arc primaire. Il résulte d'effets d'interférence entre les ondes lumineuses et nécessite des gouttes d'eau de taille très uniforme. L'arc de brouillard (ou fogbow), quant à lui, se forme dans un brouillard épais composé de très petites gouttelettes ; il apparaît comme un arc blanc ou très peu coloré, souvent large et diffus.
L'arc rouge ou arc monochrome est un phénomène rare qui se produit lorsque le Soleil est très bas sur l'horizon (au lever ou au coucher). La lumière traverse alors une grande épaisseur d'atmosphère qui disperse les longueurs d'onde courtes (bleu, vert), ne laissant subsister que la couleur rouge. L'arc apparaît alors entièrement rouge, offrant un spectacle saisissant.
L'arc-en-ciel monochrome, il se forme uniquement avec une seule couleur, souvent dans des conditions spécifiques comme dans les arcs lumineux que l'on peut observer autour de la Lune, appelés lunar rainbows.

N.B. :
La visibilité et l'intensité de ces différents arcs dépendent de multiples facteurs : la taille des gouttes d'eau, l'angle du Soleil par rapport à l'horizon, la pureté de l'atmosphère et la sensibilité de l'observateur. Les arcs secondaires, surnuméraires et monochromes sont plus rares et nécessitent des conditions optiques particulièrement favorables.

Tableau des différents types d'arc lumineux

Comparaison entre les différents types d'arc-en-ciel
Type d'arc-en-ciel	Réflexions internes	Ordre des couleurs	Luminosité	Position	Conditions particulières
Arc primaire	1 réflexion	Rouge extérieur, violet intérieur	Élevée (vives)	—	Soleil dans le dos, pluie devant
Arc secondaire	2 réflexions	Inversé : violet extérieur, rouge intérieur	Plus pâle (2× moins lumineux)	Au-dessus de l'arc primaire	Gouttes d'eau plus grosses
Arc de rosée (dewbow)	1 réflexion	Similaire à l'arc primaire	Très pâle, souvent blanc	Près du sol	Rosée sur l'herbe ou toiles d'araignée
Arc lunaire (lunar rainbow)	1 réflexion	Similaire au primaire, couleurs atténuées	Très faible (souvent blanc)	—	Lune pleine, nuit sombre
Arc surnuméraire	1 réflexion	Couches supplémentaires (pastel)	Très pâle, parfois irisé	À l'intérieur de l'arc primaire	Gouttes d'eau de taille uniforme (interférences)
Arc de brouillard (fogbow)	1 réflexion	Blanc ou presque blanc	Très faible	—	Très petites gouttelettes de brouillard
Arc rouge (monochrome)	1 réflexion	Rouge uniquement	Faible	—	Lever ou coucher du Soleil (lumière rasante)

N.B. :
L'intensité et la visibilité des arcs-en-ciel dépendent de la taille des gouttes d'eau, de l'angle du Soleil et de la pureté de l'atmosphère. Les arcs secondaires et surnuméraires sont plus rares et nécessitent des conditions optiques spécifiques.

Références

FAQ : Tout savoir sur l'arc-en-ciel

Pourquoi l'arc-en-ciel est-il courbe ?

L'arc-en-ciel est courbe parce qu'il est formé par la réflexion et la réfraction de la lumière du Soleil dans des gouttes d'eau. La forme circulaire est une illusion d'optique : chaque goutte d'eau renvoie la lumière selon un angle fixe (environ 42° pour l'arc primaire). L'ensemble des gouttes qui renvoient la lumière vers l'œil de l'observateur forme un cône dont la pointe est l'œil. L'intersection de ce cône avec le rideau de pluie donne un arc de cercle. Si le Soleil est bas sur l'horizon, l'arc est plus grand ; s'il est plus haut, l'arc est plus petit.

Pourquoi les couleurs de l'arc secondaire sont-elles inversées ?

L'arc secondaire, ou arc-en-ciel secondaire, est formé par deux réflexions internes au lieu d'une seule dans les gouttes d'eau. Cette double réflexion inverse l'ordre des couleurs : le rouge se trouve à l'intérieur de l'arc secondaire et le violet à l'extérieur. De plus, l'arc secondaire est moins lumineux car chaque réflexion interne perd une partie de l'intensité lumineuse.

Peut-on voir un arc-en-ciel la nuit ?

Oui, on parle alors d'arc-en-ciel lunaire ou lunar rainbow. Il est produit par la lumière de la Lune (qui n'est qu'une réflexion de la lumière du Soleil) traversant des gouttes d'eau. Cependant, la lumière de la Lune est beaucoup plus faible, donc les arcs-en-ciel lunaires sont généralement pâles et apparaissent en monochrome ou avec des couleurs très atténuées à l'œil nu. Les photographies à longue exposition peuvent révéler leurs couleurs.

Un arc-en-ciel peut-il être complet ?

Un arc-en-ciel est en réalité un cercle complet, mais l'horizon nous cache la partie inférieure. Depuis le sol, nous ne voyons donc qu'un arc de cercle. Cependant, depuis un avion ou un point en hauteur, il est parfois possible d'observer un arc-en-ciel circulaire complet, à condition que les conditions de lumière et de gouttes d'eau soient réunies tout autour.

Pourquoi l'arc-en-ciel est-il associé à sept couleurs ?

Cette association remonte à Isaac Newton, qui a artificiellement divisé le spectre continu de la lumière blanche en sept couleurs distinctes (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet). Il a choisi ce nombre en référence aux sept notes de musique et aux sept jours de la semaine, une pratique courante à son époque. La réalité est que le spectre est continu et compte une infinité de nuances.