L'arc-en-ciel à l'envers

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(Québec) CHRONIQUE / «Le 27 septembre 2016, un peu après six heures du matin, mon conjoint et moi roulions sur la 132 en direction de l'est, à destination de Saint-Fabien-sur-Mer. Il y avait eu un peu de pluie au cours de l'heure précédente et, tout à coup, est apparu derrière nous un immense arc-en-ciel, très net, dont nous pouvons voir toute la courbe et les deux extrémités dans les rétroviseurs. Puis un autre arc-en-ciel, plus grand que le précédent et plus pâle, est apparu à son tour, et j'ai noté un phénomène étrange : les couleurs du deuxième étaient à l'inverse de celles du premier. Pourquoi?» demande Hélène Francoeur, de Québec.

Quand un rayon de soleil entre dans une goutte d'eau, il se produit essentiellement deux choses. D'abord, il est dévié : quand la lumière passe d'un milieu à un autre dont la densité est différente (et c'est certainement le cas de l'eau, qui est environ 800 fois plus dense que l'air), elle change de direction. C'est pour cette raison, par exemple, que les objets sous l'eau nous apparaissent souvent un peu décalés par rapport à leur position réelle.

Et en même temps, cette déviation n'est pas exactement la même pour toutes les longueurs d'onde (ou toutes les couleurs, si l'on préfère). La lumière «blanche» qui nous vient du Soleil est un mélange de toutes les couleurs que l'oeil humain est capable de percevoir, et nous voyons ce mélange comme blanc. Mais quand cette lumière blanche entre dans une goutte d'eau, sa partie «rouge» est un peu moins déviée que sa partie orange; l'orange est un peu moins dévié que le jaune; et ainsi de suite jusqu'au violet, couleur dont la course est la plus fortement infléchie. Les physiciens appellent cela réfraction, et le résultat est que les couleurs sont séparées.

La deuxième chose qui se passe, c'est que la lumière est réfléchie à l'arrière de la gouttelette. Comme les couleurs sont déjà séparées, elles le demeurent lors de la réflexion, puis en ressortant de la goutte d'eau - il se produit alors une seconde réfraction -, ce qui explique l'existence même des arcs-en-ciel. En comptant les deux réfractions et la réflexion, l'angle Soleil-goutte-oeil est d'environ 42° pour le rouge et de 40° pour le violet. Les rayons peuvent bien sûr être réfléchis/réfractés à d'autres angles que cela, mais alors ils ne font pas d'arc-en-ciel.

Maintenant, comme le montre le graphique ci-contre, cette réflexion peut se faire de deux manières. Elle peut être simple : la lumière «rebondit» une seule fois au fond de la goutte d'eau, puis en ressort. Cela donne ce qu'on appelle un «arc primaire», celui que l'on voit le plus souvent. Ou elle peut être double : la lumière est réfléchie deux fois sur la paroi interne de la goutte d'eau avant d'en sortir. Cela donne l'«arc secondaire» dont parle notre lectrice, qui fait un angle Soleil-goutte-oeil d'environ 50°.

CHRONIQUE / «Le 27 septembre 2016, un peu après six... (Infographie Le Soleil) - image 2.0

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Infographie Le Soleil

C'est cette deuxième réflexion qui inverse les couleurs de l'arc secondaire - ou qui les «remet à l'endroit», puisque la première réflexion les avait renversées elle aussi. Notons aussi que les gouttelettes ne sont pas, bien évidemment, des miroirs parfaits et qu'une partie substantielle de la lumière est «perdue» à chaque réflexion. C'est ce qui explique pourquoi les arcs secondaires sont plus pâles que les primaires.

Et tant qu'à y être, mentionnons aussi une dernière chose. Si l'on observe attentivement un arc-en-ciel double, on remarquera qu'entre les deux arcs le ciel semble plus sombre qu'ailleurs. On l'appelle la bande sombre d'Alexandre, du nom d'Alexandre d'Aphrodise, un savant du IIe siècle qui l'a décrit le premier. L'espace me manque pour entrer dans le détail, mais disons simplement qu'à cause de la forme des gouttelettes et de leur densité, la lumière ne peut pas y «rebondir» n'importe comment. Il y a un «angle minimum» en deçà duquel la lumière ne peut pas aller.

L'arc primaire se situe justement sur cet angle minimum de 40-42° : les gouttelettes d'eau «en dessous» de cet arc peuvent renvoyer de la lumière vers un observateur (mais pas sous forme d'arc-en-ciel), mais les gouttelettes «au-dessus» ne le peuvent pas. Et c'est la même chose pour l'arc secondaire, à cette différence près que l'effet est alors renversé à cause de la deuxième réflexion : les gouttes d'eau au-dessus peuvent renvoyer de la lumière à l'observateur, mais pas celles du dessous.

Si bien qu'au final, ledit observateur reçoit moins de lumière provenant d'entre les deux arcs, et cette bande apparaît donc forcément plus sombre.

Source : Les Cowley, «Rainbows», Atmospheric Optics, s.d., goo.gl/x6Rteh

***

La vie de l'Homme moderne obéit à un cycle implacable. Au sortir de ses vacances, quand ses capacités mentales sont à leur maximum, le cerveau humain est une merveille de l'Évolution, dont la capacité à traiter de l'information est sans égale sur Terre. Puis, à mesure que l'année passe et que la fatigue s'installe, ces prodigieuses facultés de raisonnement s'amenuisent de plus en plus jusqu'à tendre vers celles d'une livre de beurre, ou à peine plus - et il arrive même que le beurre se change en margarine chez les parents qui ont de jeunes enfants à la maison. Il est donc maintenant temps pour moi d'aller remiser ma motte informe de matière grasse dans le frigo pendant quelques semaines, histoire qu'elle reprenne un peu de consistance avant la rentrée. Cette chronique sera de retour le 27 août.




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