Qu'est-ce qu'un arc-en-ciel ?

Un arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique produit par la rencontre de la lumière du Soleil et de gouttes d’eau en suspension dans l’atmosphère. Il apparaît le plus souvent après une pluie, lorsque le Soleil éclaire un rideau de gouttelettes situé devant l’observateur. On peut aussi en voir près d’une chute d’eau, d’une fontaine ou d’un dispositif produisant une fine brume. Les couleurs semblent former un arc dans le ciel, mais cet arc n’est pas un objet situé à une distance précise : il résulte d’une configuration géométrique entre la source lumineuse, les gouttes et l’œil de l’observateur.

Comment les couleurs apparaissent

La lumière solaire est perçue comme blanche, mais elle rassemble en réalité de nombreuses radiations lumineuses. Lorsqu’elle pénètre dans une goutte d’eau, elle est réfractée, c’est-à-dire que sa direction change en passant de l’air à l’eau. Elle est également dispersée : les différentes composantes de la lumière ne sont pas déviées exactement de la même manière. Dans une goutte, la lumière peut ensuite subir une réflexion sur la face interne avant de ressortir en étant de nouveau réfractée. Ces déviations séparent les couleurs et orientent chacune d’elles vers une direction particulière. La lumière issue d’un très grand nombre de gouttes forme alors une bande colorée continue. On énumère traditionnellement sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet, même si le spectre visible ne présente pas de frontières parfaitement nettes entre elles.

La géométrie de l’observation

Pour observer un arc-en-ciel, il faut généralement avoir le Soleil derrière soi et les gouttes d’eau devant soi. La lumière qui atteint l’œil après son parcours dans les gouttes arrive selon une direction privilégiée, située à environ 42 degrés autour du point opposé au Soleil pour la lumière rouge ; les autres couleurs apparaissent sous des angles légèrement différents. C’est cette organisation qui donne à l’arc sa forme caractéristique. Depuis le sol, l’horizon masque souvent une partie du phénomène, si bien que l’on ne voit qu’un arc. Depuis un point élevé, comme un avion ou une montagne, les conditions peuvent permettre d’apercevoir une portion beaucoup plus importante, parfois un cercle complet. Se déplacer ne permet pas de rejoindre l’arc : les gouttes qui envoient de la lumière vers l’œil changent avec la position de l’observateur.

L’arc primaire et l’arc secondaire

L’arc le plus courant est l’arc primaire. Il résulte principalement d’une réflexion de la lumière à l’intérieur des gouttes et présente le rouge sur son bord extérieur, tandis que le violet se trouve vers l’intérieur. Dans certaines conditions, un second arc, plus large et moins lumineux, apparaît au-dessus ou à l’extérieur du premier, du côté opposé au Soleil. Il est produit par deux réflexions internes de la lumière. Cette réflexion supplémentaire inverse l’ordre des couleurs : le violet se trouve alors vers l’extérieur et le rouge vers l’intérieur. Entre les deux arcs, le ciel peut sembler plus sombre, car les trajectoires lumineuses qui parviennent jusqu’à l’observateur y sont moins nombreuses. On peut aussi distinguer, à l’intérieur de l’arc primaire, de fines bandes pâles appelées arcs surnuméraires, liées au comportement ondulatoire de la lumière et à la taille des gouttes.

Un phénomène lié à l’eau et à la lumière

La présence de gouttes ne suffit pas à elle seule : leur éclairage et la position de l’observateur sont également déterminants. Une pluie située entre le Soleil et l’observateur peut produire un arc très visible si le ciel s’éclaircit dans la direction du Soleil. Les gouttelettes d’une cascade, d’un arroseur ou d’un brumisateur peuvent provoquer le même phénomène à une échelle plus limitée. Un arc-en-ciel n’est donc ni une matière colorée ni une projection fixe dans le ciel, mais l’effet visible de la réfraction, de la dispersion et de la réflexion de la lumière dans de nombreuses gouttes d’eau. Sa forme et ses couleurs s’expliquent par les lois de l’optique, tandis que son apparition dépend à chaque instant de la position du Soleil, de l’eau en suspension et de l’observateur.