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phénomène optique et météorologique qui rend visible le spectre continu de la lumière De Wikipédia, l'encyclopédie libre
Pour les articles homonymes, voir Arc-en-ciel (homonymie).
Un arc-en-ciel est un photométéore — un phénomène optique se produisant dans le ciel — visible dans la direction opposée au Soleil quand il brille pendant la pluie. C'est un arc de cercle coloré d'un dégradé de couleurs.
Un arc-en-ciel se compose de deux arcs principaux : l'arc primaire et l'arc secondaire. L'arc primaire est dû aux rayons ayant effectué une réflexion interne dans la goutte d'eau[1]. Les couleurs se succèdent du rouge à l'extérieur au violet à l'intérieur. Les rayons ayant effectué deux réflexions internes dans la goutte d'eau provoquent un arc secondaire moins intense à l'extérieur du premier[2]. L'ordre des couleurs de cet arc est inversé. Les deux arcs sont séparés par la bande sombre d'Alexandre[2].
Des arcs tertiaire et quaternaire, extrêmement ténus, ont été photographiés, pour la première fois, en [2]. Il est parfois possible d'observer des arcs surnuméraires, décrits pour la première fois en 1723 par Henry Pemberton (1694-1771)[3].
L'arc-en-ciel de rosée est un phénomène semblable à l'arc-en-ciel, mais engendré sur la terre par la pluie ou la rosée[4].
On peut observer un arc-en-ciel quand des gouttes d'eau tombent ou sont en suspension dans l'air et qu'une source lumineuse puissante (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, car les couleurs ressortent davantage par contraste avec les nuages du ciel sombre. On voit aussi souvent cet effet à proximité de chutes d'eau, dans la brume avec une source de lumière derrière soi. Ce phénomène optique fait apparaître, dans une transition continue, toutes les teintes monochromatiques, mélangées à la lumière provenant de son arrière-plan.
Un arc-en-ciel n'a pas d'existence matérielle. C'est un effet optique dont la position apparente dépend de celles de l'observateur et du soleil. Le centre de l'arc-en-ciel se trouve dans la direction exactement opposée à celle du soleil par rapport à l'observateur. En conséquence, ledit centre se trouve dans l'ombre de la tête de la personne qui observe un arc-en-ciel lorsque cette ombre lui est visible.
Toutes les gouttes de pluie renvoient la lumière du soleil de la même manière, mais l'observateur ne voit que les rayons qui sortent d'une petite partie de ces gouttes de pluie : il voit les rayons qui se dirigent vers lui (les autres rayons ne lui sont pas visibles mais peuvent être visibles par d'autres observateurs). Chaque observateur interprète alors la lumière qui lui arrive de certaines gouttes de pluie comme l'image d'un arc de cercle dans le ciel.
La dispersion (conséquente à la réfraction) associée à la réflexion des différentes radiations lumineuses, composant la lumière blanche du Soleil, par les gouttelettes d'eau, en suspension dans l'atmosphère, produisent les arcs-en-ciel.
La dispersion de la lumière du Soleil par des gouttes de pluie approximativement sphériques provoque l'arc-en-ciel. 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, enfin est réfractée à nouveau en sortant. En conséquence, l'effet global est que, quelle que soit la taille de la goutte, la lumière entrante est principalement réfractée vers l'arrière sous un angle de l'ordre de 40° à 42°. Ainsi, l'observateur observe la lumière réfractée par les gouttes situées dans un angle de 40 à 42° par rapport à son point d'observation, ce qui explique la forme circulaire de ce photométéore, ainsi que son aspect dépendant du point d'observation. On ne peut jamais s'approcher d'un arc-en-ciel, ou l'observer de profil, et deux observateurs situés à des endroits différents verront un arc placé différemment dans le paysage.
La valeur précise de l'angle de réfraction dépend de la longueur d'onde des composantes de la lumière, qui détermine la couleur. Dans le cas de l'entrée dans un milieu plus réfringent, l'angle de réfraction de la lumière bleue est inférieur à celui de la lumière rouge (un prisme met ce phénomène en évidence). Après réflexion à l'interface eau-air, la lumière bleue émerge d'une goutte au-dessus de la lumière rouge (voir figure ci-contre). L'observateur étant fixe, il voit la lumière issue de différentes gouttes d'eau avec des angles différents par rapport à la lumière du Soleil. Le rouge apparaît plus haut dans le ciel que le bleu[5].
Un arc-en-ciel se situe toujours à l'opposé du soleil : le soleil, l'observateur et le centre du cercle dont fait partie l'arc-en-ciel sont sur la même ligne.
Un arc-en-ciel appartient toujours à un cercle de même diamètre apparent : un cercle dont le rayon apparaît sous un angle approximatif de 40-42° autour de cette ligne soleil-observateur-centre de l'arc. L'horizon cache habituellement une grande partie d'un arc-en-ciel, et la taille de l'arc visible varie : plus le soleil est proche de l'horizon, plus l'arc sera grand. Un observateur en haute altitude verra un plus grand arc-en-ciel qu'un observateur au niveau de la mer (surtout parce qu'il verra une plus grande partie du ciel, et pratiquement pas à cause du changement d'alignement avec le soleil qui est minime). 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.
Des contes se basent sur la recherche d'un trésor au pied de l'arc-en-ciel[6]. L'arc étant un phénomène optique dont la position dépend de celle de l'observateur, il est impossible d'atteindre le pied de l'arc-en-ciel et de revenir en disant qu'il n'y a pas de trésor.
La taille de l'arc-en-ciel dépend de l'écart entre l'observateur et la zone de pluie, et de la hauteur du soleil par rapport à cet alignement. Lorsque l'arc-en-ciel devient trop grand, il forme un cercle dont les pieds se perdent derrière l'horizon. Lorsque l'alignement est optimum, l'arc-en-ciel est suffisamment petit pour que ses pieds puissent être visibles, comme sur le schéma de René Descartes.
Comme la limite des zones de pluie est souvent brumeuse, il est possible, en faisant varier l'angle, de s'approcher d'un pied de l'arc-en-ciel du fait du changement des angles de réfraction. Cela donne parfois l'impression de pouvoir atteindre un pied de l'arc-en-ciel, même si cela ne sera évidemment jamais possible.
L'arc-en-ciel contient une transition continue de couleurs, correspondant à des lumières monochromatiques mélangées à une quantité uniforme de blanc. L'être humain peut distinguer au plus 150 rayonnements monochromatiques[7]. Les couleurs dites pourpres, correspondant à un mélange de rouges et de bleus, ne sont pas dans l'arc-en-ciel, ni les champs chromatiques correspondant à des luminosités moyennes ou faibles, comme les beiges, marrons, et autres.
Dans le domaine de la communication graphique, on présente souvent l'arc-en-ciel comme une juxtaposition de bandes de couleur en arc de cercle. Le motif reste identifiable même avec peu de couleurs ou si elles sont inversées, pourvu que leur ordre soit celui du phénomène naturel. Le nombre des couleurs varie de 3 à 9 selon les cultures. Aristote distinguait trois couleurs[8], Plutarque en mentionne quatre[9]. Aujourd'hui en Occident, les représentations ont souvent cinq ou six couleurs.
L'ordre des couleurs de l'arc-en-ciel sert invariablement pour la conception d'un cercle chromatique ; on complète le cycle avec les couleurs composées entre le rouge et le bleu. Mais les cercles chromatiques concernent l'activité des peintres et graphistes, qui travaillent avec des pigments, dont les règles de composition (synthèse soustractive) sont très différentes de celles des lumières (synthèse additive). Il sert aussi dans des applications techniques, comme le code de couleurs des composants en électronique.
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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 (le phénomène porte alors le nom d'arc-en-ciel lunaire). En pratique, la lumière de l'arc ainsi produite 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[10]. Les couleurs peuvent cependant apparaître sur une photo.
Le phénomène est également visible sur des dépôts comme la rosée avec l'arc-en-ciel de rosée[11] et le brouillard avec l'arc blanc[12]. Il peut être aussi créé artificiellement par 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.
Certains halos atmosphériques, comme l'arc circumhorizontal (surnommé « arc-en-ciel de feu ») ou certains éléments de parhélie, sont colorés, mais il ne s'agit pas d'arcs-en-ciel.
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.
Dans la direction du Soleil, deux arcs inversés l'un par rapport à l'autre, parfois qualifiés « d'arc tertiaire et arc quaternaire », peuvent également être observés, à environ 45 degrés de l'astre, mais ceci est particulièrement difficile. Les rares observations de ces deux arcs font mention de morceaux d'arcs visibles par intermittence. En 2011 est réalisée la première photographie de « l'arc tertiaire »[13] puis la même année la première photographie de « l'arc quaternaire »[14]. Ces deux arcs correspondent aux rayons lumineux ayant subi trois et quatre réflexions dans les gouttes d'eau. En pratique, les configurations favorables à leur observation sont nettement moins nombreuses que celles favorables à l'observation de l'arc secondaire, en particulier en raison de leur proximité du Soleil.
Dans la direction opposée au Soleil, un autre arc-en-ciel, parfois désigné comme « arc de cinquième ordre » peut être présent au voisinage de l'arc secondaire, inversé par rapport à celui-ci, donc identique à l'arc primaire. 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 subi cinq réflexions dans les gouttes d'eau.
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 rouge violacé puis jaune et verte de sa copie plus pâle, ainsi parfois qu'une seconde copie (voir photo ci-contre). Ce phénomène résulte d'interférences subies par la lumière lors de ses réflexions successives dans les gouttes d'eau[15],[16]. Ils ne peuvent être expliqués par la seule optique géométrique ; ils résultent d'interférences entre rayons monochromatiques que réfléchissent des gouttes d'eau dont le diamètre varie un peu[17].
Le , un scientifique du laboratoire Disney Research étudiant à l'université de San Diego annonce avoir découvert la genèse des arcs-en-ciel siamois, des arcs-en-ciel commençant à un même point mais finissant à des endroits différents[18]. Ils seraient dus à des précipitations différentes surgissant au même moment[18].
La bande sombre d'Alexandre[19],[20] est la région du ciel située entre l'arc primaire et l'arc secondaire d'un arc-en-ciel[19]. Elle consiste en une bande circulaire, légèrement plus sombre que le reste du ciel[19]. Elle est due au fait que peu de rayons lumineux sont réfractés dans cette direction[19].
Son éponyme[21],[22] est le philosophe péripatéticien grec Alexandre d'Aphrodise (c. 150 - c. 215) qui semble être le premier à avoir décrit le phénomène[19].
Quand l'incidence d'un rayon élémentaire sur la goutte d'eau varie, sa déviation :
Cette image présente l'ensemble des zones avec leurs angles caractéristiques qui régissent le phénomène :
Puisqu'un arc-en-ciel résulte entre autres d'une ou plusieurs réflexions sur la surface de gouttes d'eau, et que cette réflexion se fait sous un angle proche de l'angle de Brewster, la lumière est fortement polarisée, ce qui se vérifie facilement quand on observe un arc-en-ciel à travers des lunettes de soleil équipées de verres polarisants.
En étudiant la théorie des arcs-en-ciel, l’astronome britannique George Biddell Airy a introduit la fonction qui porte son nom, à savoir la fonction d'Airy, qui est une fonction spéciale avec des propriétés très intéressantes.
Pline l'Ancien en fait la description suivante[23] :
« Nous appelons arc-en-ciel un phénomène qui, en raison de sa fréquence, n'est ni une merveille ni un prodige ; car il n'annonce pas, d'une manière sûre, même la pluie ou le beau temps. Il est évident que le rayon solaire entré dans une nuée concave est repoussé vers le soleil et réfracté, et que la variété des couleurs est due au mélange du nuage, de l'air et du feu. Ce phénomène ne se voit qu’à l'opposite du soleil. Il n'a jamais d'autre forme que celle d'un demi-cercle. Il ne se montre jamais la nuit, bien qu'Aristote rapporte qu'on en a vu quelquefois. Cependant le même Aristote avoue que cela ne peut arriver que le trentième jour de la Lune. Les arcs-en-ciel se montrent en hiver, surtout durant la décroissance des jours, après l'équinoxe d'automne. Après l'équinoxe du printemps, quand les jours croissent, il n'y a pas d'arc-en-ciel ; il n'y en a pas non plus vers le solstice, pendant les jours les plus longs ; mais ils sont fréquents vers le solstice d'hiver, c'est-à-dire pendant les jours les plus courts. Ils sont élevés quand le soleil est bas, bas quand le soleil est élevé, moindres au lever ou au coucher, mais ayant de la largeur ; étroits à midi, mais embrassant un plus grand espace. En été, on n'en voit pas à midi ; après l'équinoxe d'automne, on en voit à toute heure, et jamais plus de deux à la fois. »
Le rôle de la réfraction de la lumière sur des gouttelettes d'eau est à nouveau suspecté au début du XIVe siècle par les savants persans Qotb al-Din Chirazi et Kamāl al-Dīn al-Fārisī, et en Europe par Dietrich von Freiberg.
La loi de la réfraction a été baptisée loi Snell Descartes car elle fut exposée par Snell en 1621 et dans La Dioptrique de Descartes en 1637. Descartes s'appuie sur cette loi dans les Météores pour expliquer comment la trajectoire de la lumière dans les gouttes d’eau en suspension rend compte de l’arc en ciel.
Poursuivant ces travaux, Isaac Newton précisera la répartition et la largeur des bandes de couleurs de l'arc-en-ciel. George Biddell Airy affine ces travaux et explique les arcs surnuméraires. Pour cela, il introduit une fonction spéciale, non connue à ce jour, que l'on nomme depuis la Fonction d'Airy
La transition entre les couleurs est continue. Le nombre de couleurs qu'y distinguent les cultures dépend des champs chromatiques à leur disposition dans le langage, et de la valeur symbolique qu'elles accordent à certains nombres.
Les Dogons y reconnaissent quatre couleurs : noir, rouge, jaune, vert, la trace laissée par le mythique bélier céleste qui féconde le soleil et urine les pluies[réf. souhaitée].
Les cultures indo-européennes accordent souvent un statut élevé au nombre 7[réf. souhaitée]. On a ainsi les sept jours de la création du monde, de la semaine, les sept notes de musique, les sept mers[réf. souhaitée], etc.. Aristote distingue sept couleurs du noir au blanc, suivi par Robert Grossetête, au début du XIIIe siècle, qui ne précise pas auxquelles il pense[24]. Newton s'efforça de reconnaître sept couleurs pures dans la lumière blanche décomposée par le prisme, comme par l'arc-en-ciel. Pour arriver à une liste de sept — rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet —, il ajouta l'« indigo » dans la position du si de la gamme musicale, juste avant le do qui la termine. Cette teinte qui ne correspond pas à un champ chromatique, lui sera reprochée. L'historien des couleurs Michel Pastoureau 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[réf. souhaitée].
Ces sept couleurs sont présentes dans l'ésotérisme islamique (image des qualités divines de l'univers)[réf. nécessaire], et en Inde et Mésopotamie elles représentaient les sept niveaux des cieux[réf. nécessaire].
L'arc-en-ciel semble avoir depuis longtemps fasciné l'Homme.
De nombreux mythes dans le monde entier présentent l'arc-en-ciel comme un pont ou chemin. Il peut être emprunté par des dieux, des chamans, sorciers ou des héros légendaires, pour circuler entre la terre et un autre monde ou entre deux points éloignés de la terre. Parmi les Pygmées d'Afrique[réf. souhaitée], en Indonésie[réf. souhaitée], en Mélanésie[réf. souhaitée], chez certains Amérindiens[réf. souhaitée] on entend des légendes de cette nature. Le Japon ancien le nomme le « pont flottant dans le ciel »[25]. Dans la mythologie grecque, la messagère Iris a créé ce chemin entre Olympe et terre[26] dont on retrouve trace dans le terme espagnol « arco iris »). Dans la mythologie nordique, nommé Bifröst (ou pont de byfrost, chemin tremblant), c'est le « pont » qui permet de rejoindre Ásgard, le royaume des dieux gardé par le dieu Heimdall[réf. souhaitée].
En Asie, selon les textes[Lesquels ?], l'arc de Shiva ressemble à l'arc-en-ciel[réf. souhaitée], au Cambodge il est l'arc d'Indra[réf. souhaitée] (Indra produit la foudre et dispense la pluie). Il évoque aussi l'illumination de Bouddha, qui redescend du ciel par cet escalier aux 7 couleurs, dont les rampes sont deux serpents (nâga)[réf. souhaitée]. Les rubans portés par les chamans bouriates, symbolisant la montée de l'esprit du chaman vers le ciel, sont appelés arc-en-ciel[27].
Au Tibet, ce n'est pas un pont mais les âmes des souverains qui rejoignent le ciel[réf. souhaitée].
Les Indiens Pueblo nommaient arc-en-ciel l'échelle permettant d'accéder à leurs temples souterrains, évoquant cette fois le lien entre le domaine chtonien et la terre[réf. souhaitée].
De nombreux mythes associent aussi l'arc-en-ciel à un serpent mythique (ou groupe de serpents).
La mythologie chinoise le présente comme une fente dans le ciel, scellée par la déesse Nuwa qui pour cela a utilisé des pierres de sept couleurs différentes. Cinq caractères chinois au moins désignent l'arc-en-ciel. Tous contiennent le radical « hoei », qui en tant que caractère signifie serpent[réf. nécessaire].
Les Pygmées désignent le phénomène comme un dangereux serpent du ciel[réf. souhaitée] ou un double serpent soudé[réf. nécessaire].
Pour les Négritos Semang l'arc-en-ciel est un python qui brille de toutes les couleurs quand il monte au ciel prendre un bain, mais l'eau de son bain qu'il renverse en pluie sur terre est très dangereuse pour les humains. Pour les Négritos andaman, c'est le tam-tam (parce qu'il est souvent associé au tonnerre ?) de l’Esprit Forêt, présage de mort ou maladie[28].
D'anciens Péruviens[Quoi ?] ne regardaient pas l'arc-en-ciel, et couvraient leur bouche d'une main, car il est aussi la couronne de plume d'Illapa (dieu cruel et intraitable du tonnerre et des pluies). Pour les Incas, l'arc-en-ciel était un serpent céleste mythique. Recueilli par les hommes sous la forme d'un vermisseau, il est devenu gigantesque à force de manger, ce pourquoi il a fallu le tuer parce qu'il imposait qu'on le nourrisse de cœurs humains. Les couleurs vives de certains oiseaux viennent du fait que leurs ancêtres se sont trempés dans le sang de ce serpent géant[29].
Dans la symbolique occidentale, l'arc-en-ciel (parce qu'annonciateur du beau temps après la pluie ?) est souvent associé à la joie et la gaieté ou au renouvellement[réf. souhaitée].
Certaines traditions associent l'arc-en ciel à un danger venu du ciel[réf. souhaitée].
Certains peuples d'Asie centrale et du Caucase[Lesquels ?] lui attribuaient le pouvoir d'aspirer l'eau des fleuves et des lacs, voire d'emporter des enfants ou des hommes de la terre vers le ciel ou dans les nuages[réf. souhaitée].
Il peut annoncer des difficultés politiques (« Quand un État est en danger de périr, l'aspect du ciel change… Un arc-en-ciel se montre » ; Huainan Zi)[réf. souhaitée].
Le phénomène annonce la maladie ou la mort chez des peuples montagnards du Sud du Viêt Nam[réf. souhaitée].
Pour les Irlandais anciens, la cachette secrète de l'or du leprechaun était là où se pose l'extrémité de l'arc-en-ciel. Le spectateur se voit toujours loin de ses extrémités : l'arc se déplace avec lui, et l'or du Leprechaun reste inaccessible[30].
Dans les religions bibliques, l'arc-en-ciel est le signe de l'alliance de Dieu avec les hommes à la suite du déluge (Gn 9, 8-19). C'est un des symboles des enfants de Noé[réf. souhaitée].
Un arc-en-ciel apparaît dans le ciel au moment de la naissance de Fou-hi, et chez les Chibcha en Colombie. Il protège les femmes enceintes[31].
Dans la mythologie kabyle (berbère), l'arc-en-ciel est nommé Thislith n Wanzar (la femme du dieu Anzar : le dieu de la pluie), invoqué par les Kabyles en période de sécheresse, un groupe faisant le tour au village avec une poupée entre les mains et en annonçant « Anzar Anzar, Ayagellid swiṭ arazar » (« Anzar Anzar, Oh Dieu arrose la terre jusqu’aux racines profondes »).
Des représentations stylisées composées de bandes semi-circulaires de couleurs dans l'ordre de celles du météore, se trouvent dans les emblèmes de l'Empire inca (1250-1548)[réf. souhaitée], et par référence à celui-ci, du parti indigéniste équatorien Pachakutik, branche politique de la Confédération des nationalités indigènes de l'Équateur (CONAIE)[32]
Le drapeau arc-en-ciel, formé de bandes horizontales de six ou sept couleurs placées dans l'ordre de celles du météore, est l'emblème de plusieurs organisations ou mouvements sociaux : pacifistes en Europe au XXIe siècle, Lesbiennes, gays, bisexuels et transgenres, depuis 1978 aux États-Unis.
Le substantif masculin[33],[34],[35] « arc-en-ciel » est composé de arc, en et ciel. L'ancien français arc del ciel est attesté dès le XIIe siècle[33] : d'après le Trésor de la langue française informatisé, sa première occurrence se trouve dans Le Jeu d'Adam[34]. La graphie ‹ arc en ciel › se rencontre dans Le Roman de la Rose[34].
Le pluriel d'arc-en-ciel est « arcs-en-ciel »[33],[34].
Dans le langage poétique, l'arc-en-ciel est parfois appelé « arc céleste », « arc des cieux », « arc lumineux », « arc aux sept couleurs » ou encore « arc d'Iris »[34] par référence à la déesse grecque Iris, messagère des dieux et personnification de l'arc-en-ciel.
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