Comment se forme un arc-en-ciel ?

Un arc-en-ciel apparaît lorsque des rayons du Soleil rencontrent des gouttes d’eau en suspension dans l’atmosphère, généralement sous une averse ou à proximité d’une cascade. La lumière blanche du Soleil contient différentes longueurs d’onde correspondant aux couleurs visibles. En traversant les gouttes, elle est déviée, séparée en couleurs et renvoyée vers l’observateur selon une géométrie précise. L’arc-en-ciel se forme donc toujours dans la direction opposée au Soleil.

Une lumière déviée à l’entrée de la goutte

Lorsqu’un rayon lumineux passe de l’air à l’eau, il change de direction : c’est la réfraction. Cette déviation est liée aux propriétés optiques de l’eau. Comme chaque couleur ne se comporte pas exactement de la même manière, les différentes composantes de la lumière blanche sont légèrement séparées à l’intérieur de la goutte. Ce phénomène, appelé dispersion, commence dès l’entrée de la lumière dans la goutte. Le violet est davantage dévié que le rouge, tandis que les autres couleurs se répartissent entre ces deux extrémités du spectre visible.

Réflexion interne et nouvelle réfraction

Après avoir pénétré dans la goutte et s’être dispersée, la lumière atteint sa surface intérieure opposée. Une partie de cette lumière est alors réfléchie vers l’intérieur de la goutte, puis repart vers sa surface d’entrée. En ressortant, elle subit une deuxième réfraction, qui contribue à accentuer la séparation entre les couleurs. Le rayon lumineux est ainsi renvoyé dans une direction particulière. Des millions de gouttes effectuent simultanément ce processus, mais seules celles qui renvoient une couleur vers l’observateur sous le bon angle participent à l’arc visible.

Pourquoi l’arc est-il opposé au Soleil ?

La forme et la position de l’arc-en-ciel résultent de la géométrie entre le Soleil, les gouttes et l’observateur. Les rayons qui produisent l’arc-en-ciel principal parviennent à l’œil sous un angle d’environ 42 degrés par rapport à la direction opposée au Soleil. C’est pourquoi il faut avoir le Soleil dans son dos pour observer un arc-en-ciel devant soi. Depuis le sol, l’horizon masque généralement une partie du cercle, ce qui donne l’impression d’un simple arc semi-circulaire. Dans certaines conditions d’observation, notamment depuis un point élevé, une portion beaucoup plus large, voire le cercle complet, peut être visible.

Une succession de couleurs

Dans l’arc-en-ciel primaire, le rouge se trouve à l’extérieur de l’arc et le violet à l’intérieur, avec les autres couleurs entre les deux. On parle traditionnellement de sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. Cette division est une convention destinée à décrire un spectre continu, et non une succession de frontières parfaitement nettes. L’intensité et la netteté du phénomène dépendent notamment des caractéristiques des gouttes et de la quantité de lumière disponible, mais le mécanisme fondamental reste le même : réfraction, dispersion et réflexion de la lumière solaire dans les gouttes d’eau.