Comment se forme un arc-en-ciel après la pluie ?

L’arc-en-ciel apparaît lorsque la lumière du Soleil rencontre des gouttes d’eau encore présentes dans l’atmosphère, pendant une averse ou juste après. Il ne s’agit pas d’un objet situé à un endroit précis du ciel, mais d’un phénomène optique qui dépend de la position du Soleil, des gouttes et de l’observateur. Pour le voir, il faut généralement avoir le Soleil dans le dos et la pluie ou les fines gouttelettes devant soi.

Le trajet de la lumière dans une goutte

Lorsqu’un rayon solaire pénètre dans une goutte d’eau, il change de direction en passant de l’air à l’eau : c’est la réfraction. La lumière est ensuite réfléchie sur la face interne opposée de la goutte, avant de subir une nouvelle réfraction en ressortant dans l’air. Ce parcours en trois étapes — réfraction, réflexion interne, puis nouvelle réfraction — oriente une partie de la lumière vers l’observateur. Chaque goutte ne contribue toutefois qu’à certaines directions ; c’est l’ensemble de très nombreuses gouttes placées devant l’observateur qui produit l’arc visible.

La séparation des couleurs

La lumière solaire paraît blanche, mais elle contient différentes couleurs, chacune correspondant à une longueur d’onde particulière. Dans l’eau, ces couleurs ne sont pas toutes déviées de la même manière : cette dispersion sépare progressivement la lumière blanche. Dans un arc-en-ciel primaire, le rouge se trouve habituellement sur le bord extérieur de l’arc et le violet sur son bord intérieur, tandis que les autres couleurs occupent les positions intermédiaires. La réflexion interne contribue à renvoyer la lumière vers l’observateur, et les réfractions successives accentuent la séparation des couleurs.

Le rôle de la position du Soleil

La visibilité de l’arc dépend d’une géométrie précise. Pour l’arc primaire, les rayons colorés parviennent à l’œil lorsqu’ils forment, par rapport à la direction opposée au Soleil, un angle d’environ 42 degrés. C’est pourquoi l’observateur doit regarder dans la direction opposée au Soleil, avec la source lumineuse derrière lui. Si l’observateur se déplace, il ne voit plus exactement les mêmes gouttes et l’arc semble se déplacer aussi : il n’a donc pas de position fixe indépendante de celui qui le regarde. Plus le Soleil est bas au-dessus de l’horizon, plus l’arc peut apparaître haut dans le ciel.

Pourquoi voit-on surtout un arc ?

Les gouttes qui renvoient la lumière dans les bonnes directions se répartissent autour d’un axe allant du Soleil vers le point situé à l’opposé, ce qui correspond théoriquement à une forme circulaire. Depuis le sol, l’horizon masque généralement la partie inférieure de ce cercle, si bien que seule une portion arquée est visible. Depuis un point élevé, comme un avion, il est parfois possible d’apercevoir une part beaucoup plus importante, voire la totalité du cercle lorsque les conditions de visibilité sont réunies. Un arc secondaire peut également se former lorsque la lumière subit deux réflexions internes dans les gouttes ; il est alors plus faible et ses couleurs sont disposées dans l’ordre inverse.