Arc-en-ciel

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Un arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique qui rend visible le spectre continu de la lumière du ciel quand le soleil brille pendant la pluie. C'est un arc coloré avec le rouge à l'extérieur et le violet à l'intérieur. On considère habituellement qu'il est composé de sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet.

Sommaire 1 Description physique 1.1 Formation 1.2 Arcs secondaires et arcs surnuméraires 1.3 La bande d'Alexandre 2 Historique de la découverte de sa formation 3 Mythologies 4 Symbolique 5 Références 6 Bibliographie 6.1 Livres 6.1.1 Francophones 6.1.2 Étrangers 6.2 Articles scientifiques 7 Voir aussi 7.1 Articles connexes 7.2 Liens externes

[modifier] Description physique

On peut observer l'effet d'arc-en-ciel toutes les fois où il y a de l'eau en suspension dans l'air et qu'une source lumineuse (en général le Soleil) brille derrière l'observateur. Les arcs-en-ciel les plus spectaculaires ont lieu lorsque la moitié du ciel opposée au Soleil est obscurcie par les nuages mais que l'observateur est à un endroit où le ciel est clair. Un autre endroit commun où l'on peut voir cet effet est à proximité de chutes d'eau. Sa position est toujours dans la direction opposée au soleil par rapport à l'observateur. Le centre de l'arc est toujours dans la direction de l'ombre de l'observateur ; l'arc lui-même apparaissant sous un angle approximatif de 40-42° au-dessus de cette ligne soleil-observateur-centre de l'arc. On peut aussi créer artificiellement cet effet un jour ensoleillé en se tournant dos au soleil puis dispersant des gouttelettes d'eau dans l'air devant soi (lors d'un arrosage par exemple) l'arc est alors d'autant plus visible que le fond est sombre.

Dans de rares cas, un arc-en-ciel peut être vu de nuit par temps clair et pleine lune. Dans ce cas, c'est la Lune qui sert de source lumineuse. En pratique, la lumière de l'arc ainsi produit est faible et peut ne pas exciter suffisamment les cellules de la rétine responsables de la perception de la couleur (les cônes). L'arc apparaît ainsi d'une lueur grisâtre sans couleur apparente^[1]. Les couleurs peuvent cependant apparaître sur une photo.

[modifier] Formation

L'arc-en-ciel est provoqué par la dispersion de la lumière du soleil par des gouttes de pluie approximativement sphériques. La lumière est d'abord réfractée en pénétrant la surface de la goutte, subit ensuite une réflexion partielle à l'arrière de cette goutte et est réfractée à nouveau en sortant. L'effet global est que la lumière entrante est réfléchie vers l'arrière sous un angle d'environ 40-42°, indépendamment de la taille de la goutte. La valeur précise de l'angle de réflexion dépend de la longueur d'onde (la couleur) des composantes de la lumière. La lumière bleue est réfractée à un plus grand angle que la lumière rouge, mais en raison de la réflexion totale, la lumière rouge apparaît plus haut dans le ciel et forme la couleur externe de l'arc-en-ciel.

Un arc-en-ciel n'a donc pas réellement d'existence physique mais est une illusion optique dont la position apparente dépend de la position de l'observateur. Toutes les gouttes de pluie réfractent et reflètent la lumière du soleil de la même manière, mais seulement la lumière d'une petite partie des gouttes de pluie atteint l'œil de l'observateur. C'est l'image formée par la lumière de ces gouttes de pluie que nous voyons sous forme d'arc-en-ciel.

D'un avion on peut voir le cercle entier de l'arc-en-ciel avec l'ombre de l'avion (donnant la direction opposée au Soleil) en son centre.

[modifier] Arcs secondaires et arcs surnuméraires

Parfois, un second arc-en-ciel, moins lumineux, peut être aperçu au-dessus de l'arc primaire. Il est provoqué par une double réflexion de la lumière du soleil à l'intérieur des gouttes de pluie et apparaît sous un angle de 50-53° dans la direction opposée au Soleil. En raison de la réflexion supplémentaire, les couleurs de ce second arc sont inversées par rapport à l'arc primaire, avec le bleu à l'extérieur et le rouge à l'intérieur, et l'arc est moins lumineux. C'est la raison pour laquelle il est plus difficile à observer. Un troisième arc-en-ciel peut être présent au voisinage du second, et inversé par rapport à celui-ci. Il est cependant nettement moins lumineux et observable uniquement dans des conditions exceptionnelles. En pratique, il n'est pas très facile à distinguer des arcs surnuméraires associés à l'arc secondaire (voir ci-dessous). Il correspond aux rayons lumineux ayant subis cinq réflexions dans les gouttes d'eau. Deux arcs inversés l'un par rapport à l'autre peuvent également être observés dans la direction opposée, à environ 45 degrés du Soleil (donc dans la direction de celui-ci), mais ceci est particulièrement difficile du fait de la proximité du Soleil. Les rares observations de ces deux arcs font mentions de morceaux d'arcs visibles par intermittence. Ces deux arcs correspondent aux rayons lumineux ayant subis trois et quatre réflexions dans les gouttes d'eau. Comme ils sont situés à l'opposé du Soleil, ce ne sont pas les mêmes gouttes d'eau qui y contribuent. En pratique, les configurations favorables à leur observations sont nettement moins nombreuses que celles favorables à l'observation de l'arc secondaire, en particulier en raison de leur proximité du Soleil.

Un autre effet moins difficile à observer est celui des arcs dits surnuméraires, qui se traduisent par le fait que le premier arc apparaît en fait comme une série d'arcs de rayon, d'épaisseur et d'intensité décroissants accolés les uns aux autres. Visuellement, on observe une copie du premier arc située juste à l'intérieur de celui-ci : à côté de la bande violette du premier arc, on observe la bande verte puis la bande violette de sa copie, ainsi parfois qu'une seconde copie (voir photo ci-contre). Ce phénomène résulte d'interférences subies par la lumière lors de ses refléxions successives dans les gouttes d'eau (voir^[2],^[3]). Ils ne peuvent être expliqués par la seule optique géométrique, d'où leur nom. Contrairement aux autres arcs, ces arcs surnuméraires dépendent d'autres facteurs, comme la dispersion du diamètre des gouttes d'eau.

[modifier] La bande d'Alexandre

Entre le premier et le deuxième arc-en-ciel , une bande plus sombre apparaît . Cela correspond à la zône de la goutte d'eau comprise entre l'angle de 42° caractérisant la fin du premier et l'angle de 50° caractérisant le début du second . Cette bande intermédiaire où il y a déficit de lumière a été appelée la "bande sombre d'Alexandre", en l'honneur d'Alexandre d'Aphrodisias qui la décrivit le premier .

[modifier] Historique de la découverte de sa formation

Le rôle de la réfraction de la lumière sur des gouttelettes d'eau a été suspecté dès le début du XIV^e siècle par le persan Al-Fârisî et par Dietrich von Freiberg.

L'historien anthropologue Michel Pastoureau, spécialiste des couleurs, nous rappelle que, dans les textes comme dans les images depuis l'antiquité jusqu'au Moyen Âge, les arcs-en-ciel ont trois, quatre ou cinq couleurs, mais jamais sept, car le spectre n'était pas encore connu.

René Descartes redécouvre le principe de la loi de la réfraction en 1637. Isaac Newton précise les calculs dans la deuxième moitié du XVII^e siècle.

[modifier] Mythologies

Certaines légendes concernent l'arc-en-ciel à cause de sa beauté et de la difficulté d'expliquer ce phénomène avant le traité de Galilée sur les propriétés de la lumière.

On le mentionne dans la Bible (Genèse IX:12-17) comme signe d'engagement de Dieu avec l'humanité.

En mythologie grecque, c'est un chemin fait par une messagère (Iris) entre la terre et le ciel (on le retrouve dans le terme espagnol : arco iris). De même dans la mythologie nordique où celui ci, appelé Bifröst (Chemin Tremblant), est un pont pour rejoindre Ásgard, le royaume des dieux.

On dit que la cachette secrète de l'or du leprechaun irlandais est à l'extrémité de l'arc-en-ciel.

En mythologie chinoise, l'arc-en-ciel est une fente dans le ciel qui est scellée par la déesse Nuwa en utilisant des pierres de plusieurs couleurs différentes.

[modifier] Symbolique

Dans la symbolique occidentale, l'arc-en-ciel est associé à la joie et la gaieté.

L'origine de cette symbolique réside dans le fait que toutes les couleurs y sont réunies.

Le drapeau aux couleurs de l'arc-en-ciel est de nos jours associé à diverses notions :

• avec le rouge en haut (7 couleurs) : drapeau de l'empire Inca (1250-1548)
• avec le violet en haut (7 couleurs) : au mouvement des pacifistes en Europe (utilisé par exemple dans les manifestations en Italie contre la guerre en Irak de 2003)
• avec le rouge en haut (6 couleurs) : au mouvement gay et lesbien, principalement aux États-Unis.

[modifier] Références

[modifier] Bibliographie

[modifier] Livres

[modifier] Francophones

• (fr) René Descartes, Discours de la méthode pour bien conduire sa raison et chercher la vérité dans les sciences, appendice Les météores (discours huitième sur les arcs-en-ciel), initialement publié en 1637.

→ Avec « La dioptrique » qui jette les bases d'une science de l'optique et « La géométrie » qui relie les structures spatiales aux termes algébriques, « Les météores » tentent d'élucider différents phénomènes célestes, dont les arcs-en-ciel. Ces trois essais ont pour but d'illustrer l'intérêt et la fécondité de sa méthode.

• (fr) David K. Lynch et William Livingston, Aurores, mirages, éclipses... Comprendre les phénomènes optiques de la nature (titre original: Color and Light in Nature), Cambridge University Press, 292 pages, juin 2001, 1^e éd. (2^e éd. pour la version originale) (ISBN 0521775043), chap. 4 « Arcs-en-ciel et nuages ».

→ David K. Lynch est astronome et physicien spécialiste de la physique atmosphérique. William Livingston est astronome spécialiste du soleil à l'observatoire de Kitt Peak en Arizona. Le livre présente 200 phénomènes atmosphériques agrémentés de 300 photographies ou illustrations.

• (fr) Bernard Maitte, Histoire de l'arc-en-ciel, Seuil, coll. « Science ouverte », 310 pages, avril 2005, (ISBN 2020561786 ).

→ Bernard Maitte, spécialiste de l'histoire des sciences, est professeur à l'Université de Lille I. Son livre offre un panorama

• (fr) Michel Blay, Les figures de l'arc-en-ciel, Belin, coll. « Bibliothèque scientifique », 111 pages, mai 2005 (ISBN 2701141435).

→ Michel Blay est directeur de recherche au CNRS. Il est rédacteur en chef de la Revue d'Histoire des Sciences et membre de l'Académie Internationale d'Histoire des Sciences. Le livre montre l'évolution du regard et de la connaissance des arcs-en-ciel des physiciens et des philosophes, ainsi que des peintres et des coloristes.

[modifier] Étrangers

• (en) M. Minnaert, The Nature of Light and Color in the Open Air, Dover Publications, 362 pages, juin 1954 (ISBN 0486201961), chap. 10 « Rainbows, Haloes and Coronae » (Arcs-en ciel, halos et couronnes), p. 167-234.
• (en) Carl B. Boyer, The Rainbow From Myth to Mathematics, Princeton University Press, 376 pages, août 1987, 1959 pour la 1^e impression (ISBN 0521809258).
• (en) J.P.A.J. van Beeck, Rainbow Phenomena: development of a laser-based, non-intrusive technique for measuring droplet size, temperature and velocity, Technische Universiteit Eindhoven, 132 pages, 1997 (ISBN 9038605579).
• (en) Robert Greenler , Rainbows, Halos, and Glories, Cambridge University Press, 205 pages, janvier 1990, réédition (ISBN 0521388651).
• (en) Raymond L. Lee Jr et Alistair B. Fraser, The Rainbow Bridge: Rainbows in Art, Myth and Science, Pennsylvania State University Press, 408 pages, juillet 2001 (ISBN 0271019778).
• (en) John Naylor, Out of the Blue : A 24-Hour Skywatcher's Guide, Cambridge University Press, 372 pages, septembre 2002 (ISBN 0521809258), chap. 5 « Rainbows » (Arcs-en-ciel), p. 88-126.
• (de) Kristian Schlegel, Vom Regenbogen zum Polarlicht : Leuchterscheinungen in der Atmosphäre, Spektrum Akademischer Verlag, 192 pages, réédition en décembre 2001 (ISBN 3827411742).
• (de) Michael Vollmer, Lichtspiele in der Luft : Atmosphärische Optik für Einsteiger, Spektrum Akademischer Verlag, 360 pages, novembre 2005 (ISBN 3827413613).
• (nl) Jacob Kuiper, Wat een weer!, Tirion Uitgevers B.V., 2001 (ISBN 9043902128).

→ Description générale des phénomènes atmosphériques et proches de la Terre. Texte clair et précis, agrémenté de belles illustrations. Pour lecteurs néerlandais ou flamands.

• (it) Paolo Candy, Le meraviglie del cielo, Il Castello, 1997 (ISBN 8880391259).

[modifier] Articles scientifiques

• (en) Alistair B. Fraser, Inhomogenieties in the Color and Intensity of the Rainbow, Journal of Atmospheric Sciences n° 29, 1972, p. 211.
• (en) H. Moyses Nussenzveig, The Theory of the Rainbow, Scientific American n° 236, 1977, p. 116.
• (en) David K. Lynch et Ptolemy Schwartz, Rainbows and Fogbows, Applied Optics n° 30, 1991, p. 3415.

[modifier] Voir aussi

[modifier] Articles connexes

• Lumière visible
• Pont arc-en-ciel

[modifier] Liens externes

• (fr) « D'où vient l'arc-en-ciel ? » sur archi7.net
• (fr) Explications du phénomène
• (fr) Page sur l'arc-en-ciel à l'ENS Lyon
• (en) Lien très complet sur les arcs-en-ciel