À Raphaël

conception graphique :
Atelier Daniel Leprince
relecture : Valérie Gautheron

Le Pommier, 2008

Tous droits réservés

ISSN : 1625-1245

ISBN : 9782746514928

170 bis, boulevard du Montparnasse 75014 Paris
www.editions-lepommier.fr

Collection développée avec le concours du ministère de la Culture et de la Communication (Centre national du livre et Cité des sciences et de l’industrie), dans le cadre du Fonds Jules-Verne.

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Ce document numérique a été réalisé par Nord Compo.

Quoique courant, l’arc-en-ciel est un phénomène atmosphérique d’une exceptionnelle beauté. Rien d’étonnant à ce qu’il soit associé à de nombreux mythes et symboles, variables suivant les peuples et les cultures. Les Grecs y voyaient le chemin emprunté depuis l’Olympe par Iris, la messagère des dieux. Le français y a gagné les termes « iris », « irisé » ou encore « iridescent », désignant l’arc-en-ciel ou la présence de ses couleurs familières. Le savoir commun distingue habituellement parmi ces couleurs le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet, soit sept couleurs en tout. L’avez-vous vérifié ? Quand on se pose honnêtement la question, en examinant par exemple une bonne photographie du phénomène, on compte six couleurs tout au plus car l’œil n’arrive pas à discerner l’indigo. En réalité, il faut bien admettre que le nombre de couleurs est ajusté par les pratiques culturelles et n’atteint sept en Occident que parce que ce chiffre y est favorablement considéré. Fin de l’histoire ? Nullement ! Posez la question à un physicien, il vous dira qu’on trouve une infinité de couleurs dans l’arc-en-ciel. Dans la suite de ce récit, nous tenterons de comprendre ce qu’il veut dire et plus généralement d’expliquer la formation et les caractéristiques des arcs-en-ciel. Loin de se réduire à une séquence de six couleurs, l’arc-en-ciel est un phénomène riche de détails dont l’exploration est un voyage à travers la physique.

Qu’est-ce qu’un
arc-en-ciel ?

Un phénomène plus riche qu’il n’y paraît

L’arc-en-ciel s’observe dans la direction d’un rideau de pluie lorsqu’on tourne le dos au soleil. Le plus souvent, c’est un ensemble d’arcs de cercle concentriques dont les couleurs vont du rouge au violet en allant de l’extérieur vers l’intérieur. Dans de bonnes conditions d’observation, ces arcs forment des demi-cercles complets de rayon angulaire proche de 42° et qui sont d’autant plus contrastés qu’ils apparaissent sur un fond sombre (des nuages foncés par exemple). On peut parfois voir simultanément un second arc-en-ciel moins lumineux, situé environ 8° au-dessus du premier et dont l’ordre des couleurs est inversé : le rouge est à l’intérieur et le violet à l’extérieur. Pour éviter toute confusion, l’arc-en-ciel le plus lumineux (de rayon 42°) est appelé arc-en-ciel primaire, et l’arc-en-ciel le moins lumineux (de rayon 50°) est appelé arc-en-ciel secondaire. Plus rarement, on observe également de faibles arcs alternativement roses et verts juste en-dessous du violet de l’arc-en-ciel primaire. On les appelle arcs surnuméraires. En outre, une observation attentive révèle que le fond de ciel sur lequel apparaissent les arcs-en-ciel n’est pas uniformément lumineux : d’une part, la zone du ciel interne à l’arc primaire est claire et sa luminosité va décroissant vers le centre, et d’autre part, la région située entre les deux arcs est nettement plus sombre que le reste du ciel. Cette dernière région porte le nom de bande sombre d’Alexandre, en hommage au philosophe grec Alexandre d’Aphrodise qui en fit la description vers −200.

Un jeu d’eau et de lumière

Les arcs-en-ciel ne s’observent pas que par temps de pluie, on peut également en voir par beau temps à proximité de fontaines ou de chutes d’eau, ce qui montre bien que leur apparition est liée à la présence d’eau, et plus particulièrement à la présence de gouttes d’eau dans l’air. À quel jeu jouent donc les gouttes avec le soleil ? Pour bien comprendre le phénomène, imaginez-vous face au nuage de gouttes avec le soleil dans le dos. Les gouttes d’eau interceptent une partie des rayons solaires et les renvoient dans un large éventail de directions dont, en particulier, la direction de votre œil. L’arc-en-ciel est donc formé d’un ensemble de rayons solaires dont la course a été déviée par des gouttes d’eau et dont la nouvelle direction est telle qu’ils peuvent être captés par votre œil. C’est donc par essence une « illusion d’optique » et non un objet physique situé à une certaine distance de vous.

Une bonne théorie de l’arc-en-ciel se doit de pouvoir expliquer tant qualitativement que quantitativement tous les détails du phénomène. Pour l’essentiel, ce peut être fait avec les notions d’optique les plus simples et c’est ce par quoi nous allons commencer. Néanmoins, à mesure qu’on cherche à rendre compte de plus en plus en détail des caractéristiques de l’arc-en-ciel, on est conduit à recourir à des notions d’optique de plus en plus avancées, ce qui nous emmènera jusqu’aux développements les plus récents de la physique moderne.