Un arc-en-ciel est un phénomène météorologique qui est causé par la réflexion, la réfraction et la dispersion de la lumière dans les gouttelettes d’eau, ce qui entraîne l’apparition d’un spectre de lumière dans le ciel. Il prend la forme d’un arc de cercle multicolore. Les arcs-en-ciel causés par la lumière du soleil apparaissent toujours dans la section du ciel directement en face du soleil.

Les arcs-en-ciel peuvent être des cercles complets. Cependant, l’observateur ne voit normalement qu’un arc formé par des gouttelettes illuminées au-dessus du sol et centré sur une ligne allant du soleil à l’œil de l’observateur.

Dans un arc-en-ciel primaire, l’arc est rouge sur la partie extérieure et violet sur la face interne. Cet arc-en-ciel est causé par la réfraction de la lumière en entrant dans une gouttelette d’eau, puis réfléchie à l’intérieur sur le dos de la gouttelette et réfractée à nouveau en la quittant.

Dans un arc-en-ciel double, un deuxième arc est vu à l’extérieur de l’arc primaire, et l’ordre de ses couleurs est inversé, avec du rouge sur le côté intérieur de l’arc. Ceci est causé par la lumière réfléchie deux fois à l’intérieur de la gouttelette avant de la quitter.

Aperçu
Un arc-en-ciel n’est pas situé à une distance spécifique de l’observateur, mais provient d’une illusion d’optique causée par des gouttelettes d’eau observées sous un certain angle par rapport à une source de lumière. Ainsi, un arc-en-ciel n’est pas un objet et ne peut pas être approché physiquement. En effet, il est impossible pour un observateur de voir un arc-en-ciel à partir de gouttelettes d’eau à un angle autre que celui habituel de 42 degrés par rapport à la direction opposée à la source lumineuse. Même si un observateur voit un autre observateur qui semble «sous» ou «à la fin» d’un arc-en-ciel, le deuxième observateur verra un arc-en-ciel différent – plus loin – au même angle que vu par le premier observateur.

Les arcs-en-ciel couvrent un spectre continu de couleurs. Toutes les bandes distinctes perçues sont un artefact de la vision des couleurs humaines, et aucune bande de n’importe quel type n’est vu dans une photo en noir et blanc d’un arc-en-ciel, seulement une gradation douce d’intensité au maximum, puis s’estompant de l’autre côté. Pour les couleurs vus par l’oeil humain, la séquence la plus souvent citée et rappelée est le septuple rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet de Newton, dont se souvient le mnémonique Richard d’York Gave Battle In Vain (ROYGBIV).

Les arcs-en-ciel peuvent être causés par de nombreuses formes d’eau en suspension dans l’air. Ceux-ci comprennent non seulement la pluie, mais aussi la brume, les embruns et la rosée en suspension dans l’air.

Visibilité
Les arcs-en-ciel peuvent être observés chaque fois qu’il y a des gouttes d’eau dans l’air et que la lumière du soleil brille derrière l’observateur à un angle à basse altitude. Pour cette raison, les arcs-en-ciel sont généralement observés dans le ciel de l’ouest pendant la matinée et dans le ciel de l’est en début de soirée. Les arcs-en-ciel les plus spectaculaires se produisent quand la moitié du ciel est encore sombre avec des nuages ​​pluvieux et que l’observateur se trouve à un endroit avec un ciel clair dans la direction du soleil. Le résultat est un arc-en-ciel lumineux qui contraste avec le fond sombre. Dans de telles conditions de visibilité, l’arc-en-ciel secondaire, plus grand mais plus faible, est souvent visible. Il apparaît à environ 10 ° à l’extérieur de l’arc-en-ciel primaire, avec l’ordre inverse des couleurs.

L’effet d’arc-en-ciel est également communément vu près des cascades ou des fontaines. En outre, l’effet peut être artificiellement créé en dispersant des gouttelettes d’eau dans l’air pendant une journée ensoleillée. Rarement, un arc-en-ciel, arc-en-ciel lunaire ou arc-en-ciel de nuit, peut être vu sur les nuits fortement éclairées par la lune. Comme la perception visuelle humaine de la couleur est pauvre en basse lumière, les moonbows sont souvent perçus comme étant blancs.

Il est difficile de photographier le demi-cercle complet d’un arc-en-ciel dans un seul cadre, car cela nécessiterait un angle de vue de 84 °. Pour un appareil photo de 35 mm, un objectif grand angle avec une distance focale de 19 mm ou moins serait nécessaire. Maintenant que le logiciel pour assembler plusieurs images dans un panorama est disponible, des images de l’arc entier et même des arcs secondaires peuvent être créées assez facilement à partir d’une série de cadres se chevauchant.

Au-dessus de la terre comme dans un avion, il est parfois possible de voir un arc-en-ciel comme un cercle complet. Ce phénomène peut être confondu avec le phénomène de gloire, mais une gloire est généralement beaucoup plus petite, couvrant seulement 5-20 °.

Le ciel à l’intérieur d’un arc-en-ciel primaire est plus lumineux que le ciel à l’extérieur de l’arc. C’est parce que chaque goutte de pluie est une sphère et elle diffuse la lumière sur un disque circulaire entier dans le ciel. Le rayon du disque dépend de la longueur d’onde de la lumière, la lumière rouge étant diffusée sur un angle plus grand que la lumière bleue. Sur la majeure partie du disque, la lumière dispersée à toutes les longueurs d’onde se chevauche, ce qui donne une lumière blanche qui illumine le ciel. Au bord, la dépendance en longueur d’onde de la diffusion donne naissance à l’arc-en-ciel.

La lumière de l’arc arc-en-ciel primaire est polarisée à 96% tangentiellement à l’arc. La lumière du second arc est polarisée à 90%.

Nombre de couleurs dans le spectre ou l’arc-en-ciel
Un spectre obtenu à l’aide d’un prisme de verre et d’une source ponctuelle est un continuum de longueurs d’onde sans bandes. Le nombre de couleurs que l’oeil humain est capable de distinguer dans un spectre est de l’ordre de 100. En conséquence, le système de couleurs Munsell (un système du 20ème siècle pour décrire numériquement les couleurs, basé sur des étapes égales pour la perception visuelle humaine) teintes. La discrétion apparente des couleurs principales est un artefact de la perception humaine et le nombre exact de couleurs principales est un choix quelque peu arbitraire.

Newton, qui admettait que ses yeux n’étaient pas très critiques dans la distinction des couleurs, à l’origine (1672) a divisé le spectre en cinq couleurs principales: rouge, jaune, vert, bleu et violet. Plus tard, il a inclus l’orange et l’indigo, donnant sept couleurs principales par analogie au nombre de notes dans une gamme musicale. Newton a choisi de diviser le spectre visible en sept couleurs à partir d’une croyance dérivée des croyances des anciens sophistes grecs, qui pensaient qu’il y avait un lien entre les couleurs, les notes de musique, les objets connus dans le système solaire et les jours de la semaine.

Selon Isaac Asimov, «il est d’usage d’énumérer l’indigo comme une couleur entre le bleu et le violet, mais il ne m’a jamais semblé que l’indigo vaut la peine d’être considéré comme une couleur distincte.  »

Le motif de couleur d’un arc-en-ciel est différent d’un spectre, et les couleurs sont moins saturées. Il y a un maculage spectral dans un arc-en-ciel du fait que pour toute longueur d’onde particulière, il y a une distribution des angles de sortie, plutôt qu’un seul angle invariable. De plus, un arc-en-ciel est une version floue de l’arc obtenu à partir d’une source ponctuelle, car le diamètre du disque du soleil (0.5 °) ne peut être négligé par rapport à la largeur d’un arc-en-ciel (2 °). Le nombre de bandes de couleur d’un arc-en-ciel peut donc être différent du nombre de bandes dans un spectre, en particulier si les gouttelettes sont particulièrement grandes ou petites. Par conséquent, le nombre de couleurs d’un arc-en-ciel est variable. Si, toutefois, le mot arc-en-ciel est utilisé de manière inexacte pour signifier le spectre, c’est le nombre de couleurs principales dans le spectre.

La question de savoir si tout le monde voit sept couleurs dans un arc-en-ciel est liée à l’idée de la relativité linguistique. Des suggestions ont été faites qu’il y a universalité dans la façon dont un arc-en-ciel est perçu. Cependant, des recherches plus récentes suggèrent que le nombre de couleurs distinctes observées et ce que l’on appelle dépendent du langage que l’on utilise avec les personnes dont la langue a moins de mots de couleur et qui voient moins de bandes de couleurs discrètes.

Explication
Lorsque la lumière du soleil rencontre une goutte de pluie, une partie de la lumière est réfléchie et le reste entre dans la goutte d’eau. La lumière est réfractée à la surface de la goutte d’eau. Lorsque cette lumière frappe l’arrière de la goutte, une partie est réfléchie à l’arrière. Lorsque la lumière réfléchie intérieurement atteint à nouveau la surface, une fois de plus une partie est réfléchie intérieurement et une autre est réfractée à la sortie de la goutte. (La lumière réfléchie par la goutte, qui sort du dos ou continue de rebondir à l’intérieur de la goutte après la seconde rencontre avec la surface, n’est pas pertinente pour la formation de l’arc-en-ciel primaire.) L’effet global est cette partie du la lumière entrante est réfléchie dans la gamme de 0 ° à 42 °, avec la lumière la plus intense à 42 °. Cet angle est indépendant de la taille de la goutte, mais dépend de son indice de réfraction. L’eau de mer a un indice de réfraction plus élevé que l’eau de pluie, de sorte que le rayon d’un «arc-en-ciel» dans les embruns est plus petit qu’un vrai arc-en-ciel. Ceci est visible à l’œil nu par un désalignement de ces arcs.

La raison pour laquelle la lumière de retour est la plus intense à environ 42 ° est que c’est un point tournant – la lumière frappant l’anneau le plus à l’extérieur est ramenée à moins de 42 °, de même que la lumière se rapproche de son centre. Il y a une bande circulaire de lumière qui est renvoyée vers 42 °. Si le soleil était un laser émettant des rayons parallèles, monochromatiques, alors la luminance (luminosité) de l’arc tendrait vers l’infini à cet angle (en ignorant les effets d’interférence). (Voir Caustique (optique).) Mais puisque la luminance du soleil est finie et que ses rayons ne sont pas tous parallèles (elle couvre environ un demi-degré du ciel), la luminance ne va pas à l’infini. De plus, la quantité de réfraction de la lumière dépend de sa longueur d’onde et donc de sa couleur. Cet effet est appelé dispersion. La lumière bleue (longueur d’onde plus courte) est réfractée à un angle plus grand que la lumière rouge, mais en raison de la réflexion des rayons lumineux à l’arrière de la gouttelette, la lumière bleue émerge de la gouttelette à un angle plus petit la lumière rouge. En raison de cet angle, le bleu est visible à l’intérieur de l’arc de l’arc-en-ciel principal et le rouge à l’extérieur. Le résultat de ceci n’est pas seulement de donner des couleurs différentes aux différentes parties de l’arc-en-ciel, mais aussi de diminuer la luminosité. (Un «arc-en-ciel» formé par des gouttelettes d’un liquide sans dispersion serait blanc, mais plus clair qu’un arc-en-ciel normal.)

La lumière à l’arrière de la goutte ne subit pas de réflexion interne totale et une certaine lumière émerge du dos. Cependant, la lumière sortant de l’arrière de la goutte ne crée pas d’arc-en-ciel entre l’observateur et le soleil car les spectres émis à l’arrière de la goutte n’ont pas un maximum d’intensité, contrairement aux autres arcs-en-ciel visibles. ensemble plutôt que de former un arc-en-ciel.

Un arc-en-ciel n’existe pas à un endroit particulier. De nombreux arcs-en-ciel existent; cependant, un seul peut être vu en fonction du point de vue de l’observateur particulier sous forme de gouttelettes de lumière éclairées par le soleil. Toutes les gouttes de pluie réfractent et réfléchissent la lumière du soleil de la même manière, mais seule la lumière de certaines gouttes de pluie atteint l’œil de l’observateur. Cette lumière est ce qui constitue l’arc-en-ciel pour cet observateur. Tout le système composé par les rayons du soleil, la tête de l’observateur et les gouttes d’eau (sphériques) a une symétrie axiale autour de l’axe à travers la tête de l’observateur et parallèle aux rayons du soleil. L’arc-en-ciel est courbé parce que l’ensemble de toutes les gouttes de pluie qui ont l’angle droit entre l’observateur, la goutte et le soleil, se trouvent sur un cône pointant vers le soleil avec l’observateur à la pointe. La base du cône forme un cercle de 40-42 ° par rapport à la ligne entre la tête de l’observateur et son ombre, mais 50% ou plus du cercle se trouve sous l’horizon, à moins que l’observateur ne soit suffisamment éloigné tout voir, par exemple dans un avion (voir ci-dessus). Alternativement, un observateur avec le bon point de vue peut voir le cercle complet dans une fontaine ou un jet d’eau.

Dérivation mathématique
Nous pouvons déterminer l’angle perçu que l’arc-en-ciel sous-tend comme suit.

Étant donné une goutte de pluie sphérique, et définissant l’angle perçu de l’arc-en-ciel comme 2φ, et l’angle de réflexion interne comme 2β, l’angle d’incidence des rayons du soleil par rapport à la normale de la goutte est 2β – φ. Puisque l’angle de réfraction est β, la loi de Snell nous donne

sin (2β – φ) = n sin β,
où n = 1,333 est l’indice de réfraction de l’eau. Résoudre pour φ, nous obtenons

φ = 2β – arcsin (n sin β).
L’arc-en-ciel apparaîtra lorsque l’angle φ est maximal par rapport à l’angle β. Par conséquent, à partir du calcul, nous pouvons définir dφ / dβ = 0, et résoudre pour β, ce qui donne

La substitution de φ dans l’équation précédente donne 2φmax ≈ 42 ° comme angle de rayon de l’arc-en-ciel.

Variations

Arcs-en-ciel multiples
Les arcs-en-ciel secondaires sont causés par une double réflexion de la lumière du soleil à l’intérieur des gouttes de pluie et sont centrés sur le soleil lui-même. Ils mesurent environ 127 ° (violet) à 130 ° (rouge). Comme il fait plus de 90 °, on les voit du même côté du ciel que l’arc-en-ciel principal, à environ 10 ° au-dessus, à des angles apparents de 50-53 °. Du fait que l’intérieur de l’arc secondaire est «relevé» par l’observateur, les couleurs semblent inversées par rapport à l’arc primaire. L’arc-en-ciel secondaire est plus faible que le primaire parce que plus de lumière s’échappe de deux réflexions par rapport à une et parce que l’arc-en-ciel lui-même est réparti sur une plus grande surface du ciel. Chaque arc-en-ciel reflète la lumière blanche à l’intérieur de ses bandes colorées, mais c’est «vers le bas» pour le primaire et «vers le haut» pour le secondaire. La zone sombre du ciel non éclairé située entre les arcs primaires et secondaires est appelée la bande d’Alexandre, après Alexandre d’Aphrodisias qui l’a décrit pour la première fois.

Arc-en-ciel jumelé
Contrairement à un arc-en-ciel double qui consiste en deux arcs arc-en-ciel distincts et concentriques, l’arc-en-ciel jumelé très rare apparaît comme deux arcs arc-en-ciel qui se séparent d’une seule base. Les couleurs du second arc, plutôt que de s’inverser comme dans un arc-en-ciel secondaire, apparaissent dans le même ordre que l’arc-en-ciel primaire. Un arc-en-ciel secondaire «normal» peut également être présent. Les arcs-en-ciel jumelés peuvent ressembler à, mais ne doivent pas être confondus avec les bandes surnuméraires. Les deux phénomènes peuvent être distingués par leur différence de profil de couleur: les bandes surnuméraires sont constituées de tons pastels tamisés (principalement rose, violet et vert), tandis que l’arc-en-ciel jumelé présente le même spectre qu’un arc-en-ciel régulier. La cause d’un arc-en-ciel jumelé est la combinaison de différentes tailles de gouttes d’eau tombant du ciel. En raison de la résistance de l’air, les gouttes de pluie s’aplatissent en tombant, et l’aplatissement est plus prononcé dans les grandes gouttes d’eau. Lorsque deux averses de pluie de tailles différentes se combinent, elles produisent chacune des arcs-en-ciel légèrement différents qui peuvent se combiner et former un arc-en-ciel jumelé. Une étude numérique de tracé de rayons a montré qu’un arc-en-ciel jumelé sur une photo pouvait être expliqué par un mélange de gouttelettes de 0,40 et 0,45 mm. Cette petite différence dans la taille des gouttelettes a entraîné une petite différence dans l’aplatissement de la forme des gouttelettes, et une grande différence dans l’aplatissement du sommet de l’arc-en-ciel.

Pendant ce temps, le cas encore plus rare d’un arc-en-ciel divisé en trois branches a été observé et photographié dans la nature.

Arc-en-ciel complet
En théorie, chaque arc-en-ciel est un cercle, mais à partir du sol, seule sa moitié supérieure peut être vue. Puisque le centre de l’arc-en-ciel est diamétralement opposé à la position du soleil dans le ciel, le cercle se rapproche de l’horizon, ce qui signifie que la plus grande partie du cercle normalement observée est d’environ 50% au coucher ou au lever du soleil. La visualisation de la moitié inférieure de l’arc-en-ciel nécessite la présence de gouttelettes d’eau sous l’horizon de l’observateur, ainsi que la lumière du soleil qui est capable de les atteindre. Ces exigences ne sont généralement pas satisfaites lorsque le spectateur est au niveau du sol, soit parce que les gouttelettes sont absentes dans la position requise, soit parce que la lumière du soleil est obstruée par le paysage derrière l’observateur. D’un point de vue élevé, tel qu’un bâtiment élevé ou un aéronef, les exigences peuvent être satisfaites et l’arc-en-ciel complet peut être vu. Comme un arc-en-ciel partiel, l’arc-en-ciel circulaire peut avoir un arc secondaire ou des arcs surnuméraires. Il est possible de réaliser le cercle complet en étant debout sur le sol, par exemple en pulvérisant un brouillard d’eau à partir d’un tuyau d’arrosage tout en étant éloigné du soleil.

Un arc-en-ciel circulaire ne doit pas être confondu avec la gloire, qui est beaucoup plus petit en diamètre et est créé par différents processus optiques. Dans les bonnes circonstances, une gloire et un arc-en-ciel (circulaire) ou arc de brouillard peuvent se produire ensemble. Un autre phénomène atmosphérique qui peut être confondu avec un arc-en-ciel circulaire est le halo 22 °, causé par des cristaux de glace plutôt que par des gouttelettes d’eau liquide, et situé autour du soleil (ou de la lune).

Arcs-en-ciel surnuméraires
Dans certaines circonstances, on peut voir une ou plusieurs bandes étroites et faiblement colorées bordant le bord violet d’un arc-en-ciel; c’est-à-dire à l’intérieur de l’arc primaire ou, plus rarement, à l’extérieur du secondaire. Ces bandes supplémentaires sont appelées arcs-en-ciel surnuméraires ou bandes surnuméraires; avec l’arc-en-ciel lui-même le phénomène est également connu comme un arc-en-ciel empileur. Les arcs surnuméraires sont légèrement détachés de l’arc principal, deviennent progressivement plus faibles avec leur distance et ont des couleurs pastel (principalement des tons roses, violets et verts) plutôt que le spectre habituel. L’effet devient apparent lorsque des gouttelettes d’eau ont un diamètre d’environ 1 mm ou moins; plus les gouttelettes sont petites, plus les bandes surnuméraires deviennent larges et moins leurs couleurs sont saturées. En raison de leur origine dans de petites gouttelettes, les bandes surnuméraires ont tendance à être particulièrement proéminentes dans les brouillards.

Les arcs-en-ciel surnuméraires ne peuvent pas être expliqués en utilisant l’optique géométrique classique. Les bandes faibles alternées sont causées par l’interférence entre les rayons de lumière suivant des chemins légèrement différents avec des longueurs légèrement variables à l’intérieur des gouttes de pluie. Certains rayons sont en phase, se renforçant mutuellement par interférence constructive, créant une bande lumineuse; d’autres sont déphasés jusqu’à une demi-longueur d’onde, s’annulant l’un l’autre par interférence destructive et créant un espace. Étant donné les différents angles de réfraction pour les rayons de couleurs différentes, les modèles d’interférence sont légèrement différents pour les rayons de couleurs différentes, de sorte que chaque bande lumineuse est différenciée en couleur, créant un arc-en-ciel miniature. Les arcs-en-ciel surnuméraires sont plus nets lorsque les gouttes de pluie sont petites et de taille uniforme. L’existence même des arcs-en-ciel surnuméraires était historiquement une première indication de la nature ondulatoire de la lumière, et la première explication a été fournie par Thomas Young en 1804.

Arc-en-ciel réfléchi, arc-en-ciel de réflexion
Lorsqu’un arc-en-ciel apparaît au-dessus d’un plan d’eau, deux arcs symétriques complémentaires peuvent être observés au-dessous et au-dessus de l’horizon, provenant de différents trajets lumineux. Leurs noms sont légèrement différents.

Un arc-en-ciel réfléchi peut apparaître dans la surface de l’eau sous l’horizon. La lumière du soleil est d’abord déviée par les gouttes de pluie, puis réfléchie sur le plan d’eau, avant d’atteindre l’observateur. L’arc-en-ciel réfléchi est souvent visible, au moins partiellement, même dans de petites flaques d’eau.

Un arc-en-ciel de réflexion peut être produit où la lumière du soleil se reflète sur un plan d’eau avant d’atteindre les gouttes de pluie (voir schéma et), si le plan d’eau est grand, calme sur toute sa surface et proche du rideau de pluie. L’arc-en-ciel de réflexion apparaît au-dessus de l’horizon. Il coupe l’arc-en-ciel normal à l’horizon, et son arc atteint plus haut dans le ciel, avec son centre aussi haut au-dessus de l’horizon que le centre normal de l’arc-en-ciel est au-dessous. En raison de la combinaison des exigences, un arc-en-ciel de réflexion est rarement visible.

Jusqu’à huit arcs séparés peuvent être distingués si les arcs réfléchis et de réflexion se produisent simultanément: Les arcs primaires et secondaires normaux (non-réflexion) au-dessus de l’horizon avec leurs contreparties réfléchies et les arcs primaires et secondaires de réflexion au-dessus de l’horizon avec leurs contreparties réfléchies en dessous.

Arc-en-ciel monochrome
De temps en temps une douche peut se produire au lever ou au coucher du soleil, où les longueurs d’onde plus courtes comme le bleu et le vert ont été dispersées et essentiellement retirées du spectre. Une diffusion supplémentaire peut se produire en raison de la pluie, et le résultat peut être l’arc-en-ciel monochrome ou rouge rare et dramatique.

Arcs-en-ciel d’ordre supérieur
En plus des arcs-en-ciel primaires et secondaires communs, il est également possible de former des arcs-en-ciel de rangs supérieurs. L’ordre d’un arc-en-ciel est déterminé par le nombre de réflexions de lumière à l’intérieur des gouttelettes d’eau qui le créent: Une réflexion se traduit par l’arc-en-ciel de premier ordre ou primaire; deux réflexions créent l’arc-en-ciel de second ordre ou secondaire. Plus de réflexions internes provoquent des arcs d’ordres supérieurs – théoriquement à l’infini. Au fur et à mesure que de plus en plus de lumière est perdue à chaque réflexion interne, chaque arc suivant devient progressivement plus faible et donc de plus en plus difficile à repérer. Un défi supplémentaire dans l’observation des arcs-en-ciel du troisième ordre (ou tertiaire) et du quatrième ordre (quaternaire) est leur position dans la direction du soleil (environ 40 ° et 45 ° du soleil, respectivement), les noyant son éclat.

Pour ces raisons, les arcs-en-ciel naturels d’un ordre supérieur à 2 sont rarement visibles à l’œil nu. Néanmoins, des observations de l’arc de troisième ordre dans la nature ont été rapportées, et en 2011 il a été photographié définitivement pour la première fois. Peu de temps après, l’arc-en-ciel du quatrième ordre a également été photographié et, en 2014, les premières photos de l’arc-en-ciel du cinquième ordre (ou quinaire), situé entre les arcs primaires et secondaires, ont été publiées.

Dans un laboratoire, il est possible de créer des arcs d’ordres beaucoup plus élevés. Felix Billet (1808-1882) dépeint des positions angulaires jusqu’à l’arc-en-ciel du 19ème ordre, un modèle qu’il appelle une « rose des arcs-en-ciel ». En laboratoire, il est possible d’observer des arcs-en-ciel d’ordre supérieur en utilisant une lumière extrêmement brillante et bien collimatée produite par des lasers. Jusqu’à l’arc-en-ciel du 200e ordre a été rapporté par Ng et al. en 1998 en utilisant une méthode similaire, mais un faisceau laser à ions argon.

Les arcs-en-ciel tertiaires et quaternaires ne doivent pas être confondus avec les arcs-en-ciel «triples» et «quadruples» – termes parfois utilisés à tort pour désigner les arcs surnuméraires et les arcs-en-ciel de réflexion beaucoup plus communs.

Arcs-en-ciel au clair de lune
Comme la plupart des phénomènes optiques atmosphériques, les arcs-en-ciel peuvent être causés par la lumière du Soleil, mais aussi par la Lune. Dans le cas de ce dernier, l’arc-en-ciel est appelé arc-en-ciel lunaire ou arc-en-lune. Ils sont beaucoup plus pâles et plus rares que les arcs-en-ciel solaires, exigeant que la Lune soit presque pleine pour qu’ils puissent être vus. Pour la même raison, les moonbows sont souvent perçus comme blancs et peuvent être considérés comme monochromes. Le spectre complet est présent, cependant, mais l’œil humain n’est normalement pas assez sensible pour voir les couleurs. Les photographies à exposition longue montreront parfois la couleur de ce type d’arc-en-ciel.

Fogbow
Les ogbows se forment de la même manière que les arcs-en-ciel, mais ils sont formés par des gouttelettes de nuages ​​et de brouillard beaucoup plus petites qui diffractent abondamment la lumière. Ils sont presque blancs avec de faibles rouges à l’extérieur et des bleus à l’intérieur; souvent, une ou plusieurs larges bandes surnuméraires peuvent être discernées à l’intérieur du bord interne. Les couleurs sont faibles parce que l’arc dans chaque couleur est très large et les couleurs se chevauchent. Les fogbows sont généralement vus au-dessus de l’eau quand l’air en contact avec l’eau froide est refroidi, mais ils peuvent être trouvés n’importe où si le brouillard est assez mince pour que le soleil brille à travers et le soleil est assez lumineux. Ils sont très grands, presque aussi gros qu’un arc-en-ciel et beaucoup plus larges. Ils apparaissent parfois avec une gloire au centre de l’arc.

Les arcs de brouillard ne doivent pas être confondus avec les halos de glace, qui sont très communs dans le monde et visibles beaucoup plus souvent que les arcs-en-ciel (de n’importe quel ordre), mais qui ne sont pas liés aux arcs-en-ciel.

Arcs circumhorizontaux et circumzénitaux
Les arcs circumzénithal et circumhorizontaux sont deux phénomènes optiques apparentés semblables à l’arc-en-ciel, mais contrairement à ces derniers, leur origine réside dans la réfraction de la lumière à travers les cristaux de glace hexagonaux plutôt que dans les gouttelettes d’eau liquide. Cela signifie qu’ils ne sont pas des arcs-en-ciel, mais des membres de la grande famille des halos.

Les deux arcs sont des segments d’anneau de couleurs vives centrés sur le zénith, mais dans des positions différentes dans le ciel: L’arc circumzénithal est notamment courbé et situé au-dessus du Soleil (ou Lune) avec son côté convexe vers le bas (créant une impression de en bas de l’arc-en-ciel « ); l’arc circumhorizontal court beaucoup plus près de l’horizon, est plus droit et situé à une distance significative sous le Soleil (ou la Lune). Les deux arcs ont leur côté rouge pointant vers le soleil et leur partie violette éloignée, ce qui signifie que l’arc circumzénithal est rouge sur le fond, tandis que l’arc circumhorizontal est rouge sur le dessus.

L’arc circumhorizontal est parfois désigné par le terme impropre «arc-en-feu». Pour le voir, le Soleil ou la Lune doit être au moins à 58 ° au-dessus de l’horizon, ce qui en fait un phénomène rare aux latitudes plus élevées. L’arc circumzénithal, visible seulement à une élévation solaire ou lunaire inférieure à 32 °, est beaucoup plus commun, mais souvent manqué puisqu’il se produit presque directement au-dessus de la tête.

Rainbows sur Titan
Il a été suggéré que des arcs-en-ciel pourraient exister sur la lune Titan de Saturne, car il a une surface humide et des nuages ​​humides. Le rayon d’un arc-en-ciel Titan serait d’environ 49 ° au lieu de 42 °, parce que le fluide dans cet environnement froid est du méthane au lieu de l’eau. Bien que les arcs-en-ciel visibles puissent être rares en raison du ciel brumeux de Titan, les arcs-en-ciel infrarouges peuvent être plus communs, mais un observateur aurait besoin de lunettes de vision nocturne infrarouges pour les voir.

Arcs-en-ciel avec différents matériaux
Les gouttelettes (ou sphères) composées de matériaux ayant des indices de réfraction différents de l’eau pure produisent des arcs-en-ciel avec des angles de rayon différents. Puisque l’eau salée a un indice de réfraction plus élevé, un arc de pulvérisation de mer ne s’aligne pas parfaitement avec l’arc-en-ciel ordinaire, si on le voit au même endroit. De minuscules billes de plastique ou de verre peuvent être utilisées dans le marquage routier comme réflecteurs pour améliorer la visibilité des conducteurs la nuit. En raison d’un indice de réfraction beaucoup plus élevé, les arcs-en-ciel observés sur ces billes ont un rayon nettement plus petit. On peut facilement reproduire de tels phénomènes en arrosant des liquides de différents indices de réfraction dans l’air, comme illustré sur la photo.

Le déplacement de l’arc-en-ciel en raison de différents indices de réfraction peut être poussé à une limite particulière. Pour un matériau avec un indice de réfraction supérieur à 2, il n’y a pas d’angle répondant aux exigences pour l’arc-en-ciel de premier ordre. Par exemple, l’indice de réfraction du diamant est d’environ 2,4, de sorte que les sphères de diamant produiraient des arcs-en-ciel à partir du second ordre, en omettant le premier ordre. En général, comme l’indice de réfraction dépasse un nombre n + 1, où n est un nombre naturel, l’angle d’incidence critique pour n fois les rayons réfléchis intérieurement échappe au domaine . Cela se traduit par un arc-en-ciel de l’ordre n-ème se rétrécissant au point antisolaire et disparaissant.

Expériences

Les expériences sur le phénomène arc-en-ciel utilisant des gouttes de pluie artificielles, c’est-à-dire des ballons sphériques remplis d’eau, remontent au moins à Théodoric de Freiberg au XIVe siècle. Plus tard, Descartes a également étudié le phénomène à l’aide d’une fiole de Florence. Une expérience en flacon connue sous le nom d’arc-en-ciel de Florence est encore souvent utilisée aujourd’hui comme une expérience de démonstration imposante et intuitivement accessible du phénomène de l’arc-en-ciel. Il consiste à éclairer (avec une lumière blanche parallèle) une fiole sphérique remplie d’eau à travers un trou dans un écran. Un arc-en-ciel apparaîtra alors projeté / projeté sur l’écran, à condition que l’écran soit assez grand. En raison de l’épaisseur de la paroi finie et du caractère macroscopique de la pluie artificielle, il existe plusieurs différences subtiles par rapport au phénomène naturel, notamment des angles arc-en-ciel légèrement modifiés et une division des ordres arc-en-ciel.

Une expérience très similaire consiste à utiliser un récipient en verre cylindrique rempli d’eau ou d’un cylindre transparent solide et éclairé soit parallèlement à la base circulaire (rayons lumineux restant à une hauteur fixe pendant le passage du cylindre) soit sous un angle à la base. Dans ces dernières conditions, les angles arc-en-ciel changent par rapport au phénomène naturel puisque l’indice effectif de réfraction des changements d’eau (indice de réfraction de Bravais pour les rayons inclinés s’applique).

D’autres expériences utilisent de petites gouttes de liquide, voir le texte ci-dessus.

Culture

Arcs-en-ciel se produisent fréquemment dans la mythologie, et ont été utilisés dans les arts. L’une des premières occurrences littéraires d’un arc-en-ciel se trouve dans le chapitre 9 du Livre de la Genèse, dans le récit de l’inondation de Noé, où il est un signe de l’alliance de Dieu de ne jamais détruire toute vie sur terre. Dans la mythologie nordique, le pont arc-en-ciel Bifröst relie le monde des hommes (Midgard) et le royaume des dieux (Asgard). Cuchavira était le dieu de l’arc-en-ciel de la Muisca dans l’actuelle Colombie et quand les pluies régulières sur la savane de Bogotá étaient terminées, les gens l’ont remercié en lui offrant de l’or, des escargots et de petites émeraudes. La cachette secrète du lutin irlandais pour son pot d’or est généralement dite être au bout de l’arc-en-ciel. Cet endroit est à juste titre impossible à atteindre, car l’arc-en-ciel est un effet optique qui ne peut être approché.

Les arcs-en-ciel apparaissent aussi parfois dans l’héraldique, même si sa caractéristique de multiples couleurs ne correspond pas vraiment au style héraldique habituel.

Les drapeaux arc-en-ciel ont été utilisés pendant des siècles. C’était un symbole du mouvement coopératif dans la guerre des paysans allemands au 16ème siècle, de la paix en Italie, et de la fierté homosexuelle et des mouvements sociaux LGBT depuis les années 1970. En 1994, l’archevêque Desmond Tutu et le président Nelson Mandela ont décrit la nouvelle Afrique du Sud post-apartheid démocratique comme la nation arc-en-ciel. L’arc-en-ciel a même été utilisé dans les logos de produits technologiques, y compris le logo informatique Apple. De nombreuses alliances politiques regroupant plusieurs partis politiques se sont qualifiées de «coalition arc-en-ciel».