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![]() Aperçu |
L'arc-en-ciel
ou iris est constitué d'une série d'arcs lumineux
dont les couleurs, qui ne sont pas nécessairement toutes visibles
en même temps, sont celles du spectre lumineux
(rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet, selon la segmentation
habituelle de ce qui est en réalité un continuum de couleurs),
dont le centre commun est situé sur le prolongement de la ligne
qui va du Soleil (et plus rarement de la Lune)
à l'oeil de l'observateur; on les voit apparaître sur la surface
d'un rideau de pluie, de bruine ou de brouillard situé dans la région
du ciel opposée à celle qui est occupée par le Soleil,
et que ce nuage est frappé par les rayons solaires.
- ![]() Un arc-en-ciel. Certaines caractéristiques de l'arc-en-ciel (couleurs visibles, largeur) dépendent de la taille des gouttes d'eau impliquées. Mais d'autres sont constantes. Le centre de l'arc-en-ciel est ainsi toujours le même : si l'on suppose des rayons visuels autant de l'oeil du spectateur et aboutissant aux divers points de l'arc, l'ensemble de ces rayons constitue un cône circulaire droit dont le demi-angle au sommet, toujours le même, est de 40° environ. Le sommet de l'arc se trouve donc à une distance de 180° - 40° = 140° du Soleil, cette distance étant comptée sur l'arc du grand cercle céleste passant à la fois par le sommet de l'arc et par le Soleil. En fait, on observe souvent deux arcs : l'arc intérieur ou principal, que l'on vient d'évoquer, est celui dont les couleurs sont les plus vives et les plus pures; le violet s'y montre sur la frange interne, le rouge à l'extérieur. La disposition inverse s'observe dans l'arc extérieur ou secondaire, d'un diamètre apparent un peu plus grand (correspondant à 52° environ), qui manque souvent et est toujours plus pâle. Parfois des arcs dit surnuméraires encore plus pâles et dans lesquels on remarque surtout le rouge et le vert, sont également observables, en particulier près le bord interne du premier arc. Ils sont dus à des phénomènes d'interférences, comparables à ceux qui sont responsables des irisations observées sur les nuages. La théorie explique l'existence de ces deux arcs et même celle d'un plus grand nombre, bien que dans la nature on n'ait pas eu lieu d'observer d'arc d'ordre supérieur au troisième; mais on a pu, dans des expériences disposées convenablement, vérifier les conclusions de la théorie et observer jusqu'à quatorze arcs concentriques. |
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![]() Mise en ordre |
Puisque l'arc-en-ciel
est produit par la réflexion et de la réfraction de la lumière
à l'intérieur des gouttes d'eau, ce phénomène
peut s'apercevoir chaque fois que des gouttelettes d'eau sont présentes
dans l'air, dans la direction opposée à une source de lumière
puissante, qui est généralement le Soleil, mais, comme on
l'a dit, peut également être la Lune. On voit ainsi des arcs-en-ciel
près des cascades, des jets d'eau, etc. Certains méritent
une mention particulière :
L'arc-en-ciel
marin.
L'arc-en-ciel
par réflexion.
![]() Arc-en-ciel par réflexion. Gravure tirée de Meteorological Optics, de Pernter (1906). En médaillon : une photographie de M. Zscharnack. (Source : Atmospheric Phenomena Page; © Matthias Zscharnack, Dresde). L'arc-en-Terre.
![]() Une curiosité, le cercle-en-ciel ou arc-en-ciel circulaire. (Source : Mountain Light, © Galen & Barbara Rowell). L'arc-en-ciel
lunaire.
Aristote |
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![]() Rouages |
L'explication
du phénomène
Les philosophes de l'Antiquité se
sont préoccupés de l'explication du phénomène
de l'arc-en-ciel; ils ont remarqué tout d'abord, d'après
les positions relatives de l'arc, de l'observateur et du Soleil, qu'il
devait y avoir réflexion de la lumière, telle est la seule
idée exacte qu'ils ont eu de ce météore. Malgré
les études ultérieures, il faudra le début du XVIIesiècle
pour que soit découverte la cause du phénomène, et
qu'on en propose une théorie qui, pour l'essentiel, peut encore
être retenue aujourd'hui.
![]() La théorie de l'arc-en-ciel dans le Traité des Météores de Descartes. Aristote ![]() Les paramètres de la théorie. Considérons une goutte d'eau de centre C et des rayons solaires parallèles SI, SO. Supposons l'observateur placé en O. Le rayon lumineux rencontrant la goutte d'eau tombe en un point I, il se réfracte en ce point en suivant la direction IR, en R il éprouve la réflexion totale et se dirige suivant RI', symétrique de RI, par rapport au rayon CR; en I' il sort en se réfractant de nouveau et prenant la direction I'O symétrique de IS, par rapport au même rayon CR. L'oeil aperçoit donc la rayon venant du Soleil suivant SI dans la direction OI'; appelons D (Delta) l'angle que fait cette direction avec la direction S'O des rayons solaires. Remarquons que de tous les rayons parallèles à SI qui tombent sur la goutte d'eau, seul le rayon SI arrive dans l'oeil après réfractions et réflexion, ou plutôt, comme l'oeil n'est pas un point unique, un pinceau lumineux très étroit, ayant pour axe SI, pénètre seul dans l'oeil par l'ouverture de la pupille, après la marche qui vient d'être indiquée. Mais si la goutte d'eau considérée fait voir le rayon SI dans une direction OD, faisant un angle D avec la direction S'O du Soleil, une autre goutte, située plus bas ou plus haut, plus près ou plus loin, va renvoyer les rayons du Soleil dans une direction faisant un angle autre que D, de sorte qu'il semblerait tout d'abord que chaque goutte doit donner un arc-en-ciel et que tous ces arcs élémentaires se superposant les uns les autres devraient produire du blanc; mais il n'en est rien parce que leur éclat est très différent selon leur position, de sorte que, parmi tous les rayons, certains seulement sont efficaces. Pour le comprendre, supposons tout d'abord que le rayon solaire soit d'une seule couleur, le rouge, par exemple; tous les rayons solaires tombant sur la goutte d'eau la rencontrent suivant des angles différents, y pénètrent et sortent suivant des angles qui sont de même différents. Nous appellerons déviation du rayon solaire l'angle que fait le rayon solaire incident avec le rayon émergent. Cette déviation est différente pour les divers rayons solaires que frappent la goutte d'eau : elle varie depuis 180° jusqu'à une valeur minima qui est de 42° pour les rayons rouges et de 40° pour les rayons violets. Il suit de là
que si les rayons solaires étaient rouges et si la voûte céleste
ne nous renvoyait pas par diffusion la lumière du Soleil, alors
on apercevrait dans le ciel un disque coloré en rouge; ce serait
la base d'un cône ayant notre oeil pour sommet et 42° pour angle.
Ce disque aurait-il une teinte uniforme? non, et c'est là le point
important, car tous les rayons solaires tombant sur la goutte d'eau y sont
dispersés et distribués d'une façon inégale.
L'intensité de la coloration serait beaucoup plus vive sur les bords
parce que ces points correspondent au minimum de la déviation et
que l'on sait qu'au voisinage d'un minimum les fonctions varient peu pour
des valeurs assez différentes de la variable; il en résulte
que les rayons solaires qui rencontrent la goutte d'eau sous un angle assez
voisin de celui qui correspond au minimum de déviation ont leur
image très voisine du bord du disque, tandis que des rayons solaires
très voisins entre eux, mais rencontrant la goutte d'eau sous un
angle un peu différent de l'incidence correspondront au minimum,
sont fortement déviés; il passe donc, pour ainsi dire, beaucoup
plus de rayons sur les bords du disque que sur tout le reste de sa surface,
les bords sont donc bien plus vivement éclairés. Au lieu
de nous placer dans le cas où la lumière du Soleil ne contiendrait
que des rayons rouges, plaçons-nous dans celui où il ne nous
enverrait que des rayons violets. Tout ce qui vient d'être dit s'appliquerait
encore, mais le disque violet, concentrique au premier, au lieu de correspondre
à un angle de 42°, ne correspondrait qu'à un angle de
40°. Pour les autres couleurs, les angles correspondants seraient intermédiaires.
Que va-t-il arriver si nous supposons, ce qui est le cas réel, que
la lumière solaire contient toutes les couleurs. Au lieu d'un seul
disque nous en aurons une série, le plus large sera de 42°,
le plus étroit de 40°. Ces disques concentriques empiéteront
les uns sur les autres et leur couleurs se combineront pour former du blanc
presque partout, parce qu'elles auront une intensité sensiblement
égale; mais pas sur les bords, parce que le bord du jaune, par exemple,
qui correspond à 41° environ, contient du jaune, de l'orangé
et du rouge, mais avec des intensités très différentes,
le jaune possédant en cet endroit son éclat maximum, qui
n'est atteint pour l'orangé et le rouge que par des angles un peu
plus grands; le jaune dominera donc. Nous aurons ainsi une série
de cercles concentriques où le violet, l'indigo, le bleu, le vert,
le jaune, l'orangé et le rouge domineront successivement, nous aurons
l'arc-en-ciel.
Les premières expériences sur ce sujet sont dues à Robant, élève de Descartes Dans la théorie précédente nous n'avons nullement tenu compte de la distance de la goutte d'eau à l'oeil; or les rayons lumineux que nous percevons semblent venir de l'intérieur de la goutte, de sorte que, comme toutes les gouttes qui concourent à former l'arc-en-ciel ne sont pas à la même distance, il en résulte que l'arc que nous voyons n'est pas, à proprement parler, un cercle, mais une courbe absolument quelconque assujettie seulement à être inscrite sur un cône de révolution ayant l'oeil pour sommet et pour angle 40° environ; lorsque l'arc-en-ciel se détache sur le ciel, toutes ses parties semblent être à la même distance, il n'en est plus de même lorsqu'il se détache sur des objets terrestres; le voisinage de ces objets fournit des points de comparaison qui permettent d'apprécier si les divers points de l'arc en-ciel sont à la même distance de notre oeil comme ils le paraissent; supposons, par exemple, qu'un arc-en-ciel se détache sur un rideau de peupliers; on pourra voir l'arc, bien qu'affectant en projection la forme d'un cercle, passer devant certains arbres, derrière certains autres, montrent qu'en réalité le lieu géométrique des gouttelettes efficaces n'est pas un cercle, mais une courbe tracée sur un cône droit.On faisait tomber sur cette sphère un petit faisceau de rayons lumineux et l'on plaçait l'oeil de côté, de façon que la droite allant de l'oeil à la sphère fit un angle de 42° environ avec la direction du faisceau lumineux employé; on apercevait alors, en déplaçant légèrement l'oeil, successivement, toutes les parties de l'arc-en-ciel. On pouvait aussi recevoir les rayons lumineux sur un écran percé d'un trou à travers lequel passait le faisceau lumineux. Si l'on employait de l'eau un peu trouble on pouvait suivre la trace de la lumière à l'intérieur de l'eau par suite de l'illumination des particules solides contenues dans l'eau qui se trouvaient sur le parcours des rayons solaires.Babinet Il n'a pas été tenu compte dans tout ce qui précède de la grosseur des gouttes de pluie; dès qu'elles atteignent un certain diamètre, dépassé la plupart du temps dans les pluies ordinaires, elles produisent les phénomènes de l'arc-en-ciel; les gouttes très petites produisent, au contraire, des phénomènes de diffraction dont les effets se superposent à ceux de la réfraction. ils sont responsables des arcs surnuméraires. (Joannis, Kaemtz).-- |
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