Quel phénomène physique est à l'origine des arcs-en-ciel ?

Un arc-en-ciel apparaît lorsque la lumière du Soleil rencontre des gouttes d’eau présentes dans l’atmosphère, notamment après une averse ou près d’une cascade. Les couleurs visibles ne sont pas produites par l’eau elle-même : elles résultent de la transformation de la lumière blanche au cours de son trajet dans chaque goutte. Trois phénomènes optiques interviennent successivement ou conjointement : la réfraction, la réflexion à l’intérieur de la goutte et la dispersion de la lumière.

L’entrée de la lumière dans la goutte

Lorsqu’un rayon lumineux passe de l’air dans l’eau, sa vitesse change et sa trajectoire est déviée : c’est la réfraction. Cette déviation est liée à la différence d’indice optique entre les deux milieux. La lumière blanche du Soleil est composée de nombreuses longueurs d’onde, correspondant notamment aux couleurs du spectre visible. Or l’eau ne réfracte pas toutes ces composantes exactement de la même manière. Les couleurs sont donc légèrement séparées dès l’entrée de la lumière dans la goutte : le violet est plus dévié que le rouge. Cette séparation des couleurs porte le nom de dispersion.

La réflexion à l’intérieur de l’eau

Après sa réfraction initiale, le rayon lumineux atteint la surface interne opposée de la goutte. Une partie de la lumière y est réfléchie et repart dans la goutte, au lieu de la traverser immédiatement. Cette réflexion intérieure modifie la direction du rayon et lui permet de poursuivre un trajet particulier avant de ressortir. Pour l’arc-en-ciel primaire, le rayon subit une réflexion interne principale. La lumière n’est donc pas simplement déviée en entrant dans la goutte : elle est aussi renvoyée à l’intérieur, ce qui contribue à orienter les rayons colorés vers l’observateur.

La sortie et la formation des couleurs

Lorsque la lumière quitte la goutte pour repasser de l’eau dans l’air, elle est à nouveau réfractée. Comme les différentes longueurs d’onde ont été séparées et qu’elles ne ressortent pas exactement selon la même direction, l’œil perçoit distinctement les couleurs du spectre au lieu de voir une lumière blanche uniforme. Une multitude de gouttes participent au phénomène, mais seules celles qui envoient certaines lumières vers l’observateur contribuent à une couleur donnée. L’ensemble de ces rayons provenant de nombreuses gouttes forme alors un arc apparent dans le ciel.

Le rôle de la position de l’observateur

Pour observer un arc-en-ciel produit par la lumière solaire, il faut généralement avoir le Soleil derrière soi et une zone de gouttes d’eau devant soi. Sa forme et sa position dépendent de la géométrie entre le Soleil, les gouttes et l’observateur. Depuis le sol, la partie visible ressemble le plus souvent à un arc, mais un cercle plus complet peut être aperçu depuis un point suffisamment élevé lorsque les conditions le permettent. Un second arc, plus faible et situé à l’extérieur du premier, peut parfois apparaître : il provient alors d’une réflexion interne supplémentaire dans les gouttes et présente un ordre de couleurs inversé.