Comment se forme un arc-en-ciel ?

Quel est le trajet exact de la lumière dans une goutte d'eau ?

Selon Météo-France, la lumière solaire, en traversant les gouttes d'eau, subit une réfraction puis une réflexion interne avant de ressortir de la goutte, en subissant une nouvelle réfraction. La NOAA décrit le même trajet autrement : la lumière entre dans la goutte, ralentit et change de direction en passant de l'air à l'eau, plus dense, se réfléchit sur la paroi intérieure, puis se sépare en ses différentes longueurs d'onde en ressortant, un mécanisme de réfraction et de réflexion bien différent de la diffusion qui donne sa couleur bleue au ciel en plein jour.

Pourquoi un arc, et pas un rond ou une ligne ?

C'est l'une des surprises du phénomène : un arc-en-ciel est en réalité un cercle complet, pas un simple arc. Météo-France compare le rideau de pluie à un miroir qui renvoie une image déformée du soleil, un cercle multicolore dont on ne voit qu'une partie depuis le sol, l'horizon cachant le reste. La NOAA et un article de vulgarisation d'un laboratoire associé au CNRS confirment exactement la même chose, à partir des mêmes lois d'optique.

Pourquoi l'ordre des couleurs est-il toujours le même ?

Chaque couleur de la lumière correspond à une longueur d'onde différente, et l'eau ne les dévie pas toutes au même angle. Météo-France chiffre cet écart précisément : l'arc-en-ciel principal se forme à un angle de 42° pour le rouge et 40° pour le violet. La NOAA le confirme autrement : le violet est dévié le plus fortement, le rouge le moins. Cet écart, toujours dans le même sens, explique pourquoi le rouge est systématiquement en haut de l'arc et le violet en bas.

Un article de vulgarisation d'un laboratoire associé au CNRS apporte une précision utile : il n'y aurait pas vraiment sept couleurs dans un arc-en-ciel, le spectre visible étant continu. Le découpage en sept teintes, dont l'orange et l'indigo, remonterait à Newton, pour des raisons plus symboliques, liées à la gamme musicale de l'époque, que strictement physiques.

Pourquoi faut-il tourner le dos au soleil pour en voir un ?

Météo-France est formel : le centre de l'arc-en-ciel se situe toujours dans le prolongement de l'axe qui part du soleil, passe par l'œil de l'observateur, et se prolonge vers le rideau de pluie en face. La NOAA formule la même règle autrement : le soleil doit être dans le dos de l'observateur pour qu'un arc-en-ciel apparaisse. Sans cet alignement précis, la lumière réfléchie par les gouttes n'atteint pas l'œil au bon angle. Cette contrainte explique aussi pourquoi un arc-en-ciel apparaît souvent du côté du ciel opposé à un soleil bas sur l'horizon, là où la lumière rasante rougit le ciel de l'autre côté.

Qu'est-ce qu'un arc-en-ciel double ?

Un second arc, plus pâle et aux couleurs inversées, apparaît parfois au-dessus du premier : il résulte d'une deuxième réflexion de la lumière à l'intérieur des gouttes, à un angle d'une cinquantaine de degrés selon Météo-France et la NOAA. Entre les deux arcs, un article de vulgarisation d'un laboratoire associé au CNRS signale l'existence d'une zone plus sombre, la bande d'Alexandre, où aucune lumière n'est renvoyée vers l'observateur.

Angles d'après Météo-France et la NOAA.