Quel phénomène physique explique la formation d'un arc-en-ciel après une averse ?

Après une averse, les gouttes d’eau encore présentes dans l’atmosphère peuvent transformer la lumière solaire en un arc coloré visible dans le ciel. Un arc-en-ciel apparaît lorsque le Soleil se trouve derrière l’observateur et que les gouttes de pluie se situent devant lui. Sa formation repose sur trois phénomènes optiques liés : la réfraction de la lumière lorsqu’elle entre et sort d’une goutte, sa réflexion sur la paroi interne opposée, et sa dispersion en fonction des différentes longueurs d’onde.

La réfraction dévie la lumière

Lorsque la lumière blanche du Soleil pénètre dans une goutte d’eau, elle passe de l’air à l’eau. Comme ces deux milieux n’ont pas le même indice de réfraction, la vitesse de propagation de la lumière change et son trajet est dévié. Cette déviation se produit de nouveau lorsque la lumière quitte la goutte pour revenir dans l’air. La réfraction seule ne suffit toutefois pas à produire les couleurs : elle prépare le trajet lumineux et contribue à séparer les différentes composantes de la lumière blanche.

Une réflexion à l’intérieur de la goutte

Après sa première réfraction, la lumière atteint la surface interne située de l’autre côté de la goutte. Une partie est alors réfléchie par l’interface entre l’eau et l’air et repart vers l’avant de la goutte. Elle ressort ensuite après une nouvelle réfraction. Pour l’arc-en-ciel primaire, le trajet comporte donc une réfraction à l’entrée, une réflexion interne, puis une réfraction à la sortie. Toutes les gouttes ne renvoient pas la lumière vers l’observateur de la même manière : seules celles placées dans certaines directions contribuent à l’arc observé.

La dispersion fait apparaître les couleurs

L’indice de réfraction de l’eau varie légèrement selon la longueur d’onde. Les différentes couleurs de la lumière solaire ne sont donc pas déviées exactement du même angle : le rouge est moins dévié que le violet. Cette dispersion sépare progressivement les composantes de la lumière blanche au cours de leur passage dans la goutte. Chaque couleur parvient ainsi à l’observateur selon une direction particulière. La lumière provenant d’un très grand nombre de gouttes forme alors une bande colorée continue, généralement observée du rouge au violet.

La géométrie de l’arc et les arcs secondaires

L’arc-en-ciel n’est pas un objet situé à une distance précise : son apparence dépend de la position du Soleil, des gouttes et de l’observateur. L’arc primaire est centré sur le point antisolaire, c’est-à-dire le point du ciel situé à l’opposé du Soleil, et son rayon apparent est d’environ 42 degrés pour le rouge, un peu moins pour le violet. Un arc secondaire peut parfois l’entourer. Il résulte de deux réflexions internes au lieu d’une seule, ce qui le rend plus pâle et inverse l’ordre des couleurs : le violet se trouve alors vers l’extérieur et le rouge vers l’intérieur.