Pourquoi tout le monde voit-il l'arc-en-ciel différemment ? La réponse réside dans le trajet de la lumière à travers la goutte

Lorsque la pluie cesse et que le Soleil perce à travers les nuages, l'arc-en-ciel qui apparaît dans le ciel peut sembler être un spectacle commun pour tous ceux qui regardent au même endroit. Cependant, physiquement, la situation est plus complexe : même deux personnes debout côte à côte ne voient pas exactement le même arc-en-ciel.

La raison en est que l'arc-en-ciel n'est pas un objet concret suspendu dans le ciel. Il s'agit d'un motif optique créé par le trajet de la lumière solaire à travers des millions de gouttes de pluie, en fonction de la position de l'observateur. L'endroit où se trouve votre œil détermine quelles gouttes et sous quel angle la lumière vous parvient.

LE VOYAGE DE LA LUMIÈRE DANS LA GOUTTE

Pour voir un arc-en-ciel, les conditions fondamentales doivent être réunies simultanément : le Soleil doit être derrière vous, les gouttes de pluie devant vous, et la lumière du soleil doit atteindre la pluie sans être obstruée par les nuages. Lorsque ces conditions sont remplies, la lumière ralentit et change de direction en entrant dans la goutte de pluie. En physique, on appelle cela la réfraction.

La lumière blanche n'est pas monochromatique ; elle est composée de différentes longueurs d'onde. Lorsque la lumière pénètre dans la goutte, ces longueurs d'onde se courbent à des degrés divers, séparant ainsi les couleurs. Ensuite, les rayons se réfléchissent à l'intérieur sur la surface arrière de la goutte et se réfractent à nouveau en sortant par le bord avant.

Le chercheur spécialiste des arcs-en-ciel, Philip Laven, décrit ce processus comme « un motif formé par la réflexion et la réfraction de la lumière solaire à travers des millions de gouttes de pluie dans le ciel ». La lumière rouge sort de la goutte avec un angle d'environ 42 degrés, tandis que la lumière proche du bleu et du violet sort avec un angle d'environ 40 degrés.

Cette légère différence d'angle détermine l'ordre des couleurs dans l'arc-en-ciel. Alors que certaines gouttes situées plus haut dans le ciel envoient la lumière rouge vers votre œil, les gouttes situées plus bas vous transmettent la lumière bleue et violette. C'est pourquoi les tons rouges sont généralement visibles sur le bord extérieur de l'arc-en-ciel principal, tandis que les tons bleus et violets se trouvent sur le bord intérieur.

L'ARC-EN-CIEL DE CHAQUE OBSERVATEUR EST UNIQUE

Même si la personne à côté de vous regarde l'arc-en-ciel en même temps que vous, la lumière qui atteint ses yeux provient de gouttes de pluie différentes. Lorsque votre ami se déplace de quelques pas vers la droite ou la gauche, ou même s'il est un peu plus grand ou plus petit que vous, l'angle sous lequel la lumière atteint ses yeux change. Pour quelqu'un qui passe au même endroit plus tard, les conditions ne sont plus exactement les mêmes en raison du mouvement de la Terre par rapport au Soleil.

L'arc-en-ciel est en réalité un cercle formé autour du « point antisolaire », où se trouve l'ombre de la tête de l'observateur, plutôt qu'un simple arc. Vu du sol, la partie inférieure de ce cercle reste souvent sous l'horizon, c'est pourquoi seule la section en forme d'arc est visible. Vu d'un point élevé, comme un avion, la forme circulaire complète de l'arc-en-ciel peut parfois être distinguée.

La position du Soleil est également l'un des facteurs principaux déterminant l'image. Si le Soleil est proche de l'horizon, une plus grande partie de l'arc-en-ciel peut être vue. Lorsque le Soleil s'élève à plus de 42 degrés au-dessus de l'horizon, même le sommet de l'arc peut rester sous le niveau du sol. C'est pourquoi les arcs-en-ciel sont plus rarement remarqués au milieu de la journée.

Parfois, un deuxième arc plus pâle se forme à l'extérieur de l'arc-en-ciel principal. Selon le physicien Ping Wah Li de l'Université chinoise de Hong Kong, l'arc secondaire peut être visible si le ciel entre l'observateur et l'arc-en-ciel est suffisamment dégagé. Ce second arc apparaît à la suite d'une double réflexion de la lumière à l'intérieur de la goutte de pluie.

Dans l'arc-en-ciel secondaire, l'ordre des couleurs est inversé : le rouge se trouve à l'intérieur et le violet à l'extérieur. Cependant, comme la lumière parcourt un chemin plus long à l'intérieur de la goutte et s'affaiblit davantage, ce second arc paraît plus pâle que l'arc-en-ciel principal.

Une illusion d'optique peut également entrer en jeu concernant la « taille » de l'arc-en-ciel. Selon le météorologue Raymond Lee de l'Académie navale des États-Unis, l'arc-en-ciel n'a pas de dimension linéaire car ce n'est pas un objet. Ce qui le définit, c'est sa taille angulaire. Le rayon de l'arc-en-ciel principal est d'environ 42 degrés et son diamètre d'environ 84 degrés. Bien qu'un arc-en-ciel s'élevant au-dessus d'une montagne lointaine puisse paraître plus grand, il s'agit le plus souvent d'une interprétation faite par le cerveau en observant les objets environnants.