Les effets provoqués par la lumière

Arc-en-ciel , couronne, gloire et halo

C'est Newton, à l'âge de 23 ans, qui découvrit en 1666 que la lumière du Soleil était constituée d'un mélange de couleurs. En faisant passer la lumière à travers un prisme il décomposa la lumière blanche en plusieurs couleurs fondamentales : ce sont les 7 couleurs de l'arc-en-ciel, que l'on peut encore réduire aux couleurs de base : bleu, vert et rouge.

Inversement, si tu dessines sur une toupie ou un disque rotatif différents bandes radiales avec les couleurs de l'arc-en-ciel, en le faisant rapidement tourner toutes les couleurs vont se mélanger et reformeront une couleur presque blanche. Comme le disait Newton, cette découverte fut vraiment très étrange et créa une véritable révolution à l'époque.

La décomposition de la lumière blanche par un prisme, y compris sa réfraction dans une goutte d'eau dans le cas de l'arc-en-ciel, donne les différentes couleurs du spectre visible. Inversement, la synthèse additive des couleurs (bleu + vert + rouge) donne du blanc. Documents T.Lombry.

Si tu as l'occasion d'observer le ciel durant la journée et de préférence juste après la pluie, tu peux parfois apercevoir un arc-en-ciel. Parfois quand le ciel se couvre tu peux également apercevoir une couronne, un halo ou encore des irisations dans les nuages. Voyons ces différents phénomènes en détail.

L'arc-en-ciel se manifeste toujours après la pluie, des averses ou sous les embruns d'une cascade d'eau, lorsqu'il y a de la vapeur d'eau en suspension dans l'air et que le Soleil est à mi-chemin entre le zénith et l'horizon et que tu l'as derrière toi (ou sur le côté). 

Un arc-en-ciel est toujours circulaire (mais depuis le sol tu ne vois qu'un arc de cercle) et jamais oval. Il ne se forme jamais en altitude car l'eau est glacée et ne peut pas générer d'arc-en-ciel. On y reviendra sur quelques fausses images d'arcs-en-ciel à propos de la fraude en science et dans les arts.

Les gouttes d'eau en suspension dans l'air réfractent et décomposent la lumière du Soleil comme le fait un prisme et dessinent ces magnifiques arcs colorés que tu as sans doute déjà observé. Les couleurs bleue et violette sont toujours à l'intérieur de l'arc-en-ciel, le rouge à l'extérieur.

A gauche, il existe deux manières de décomposer la lumière blanche: artificiellement en utilisant soit un prisme ou un réseau de diffraction soit naturellement comme ici lorsqu'un arc-en-ciel se forme suite à la réfraction de la lumière solaire dans les gouttes d'eau en suspension dans l'air. A sa droite, trois photos dans lesquelles les couleurs ne dépendent pas de pigments colorés mais de la structure de la surface de l'objet. C'est le phénomène de diffraction de la lumière combinant la réfraction dans l'épaisseur superficielle de la structure de l'objet, la diffusion et les interférences qui explique les couleurs des nuages iridescents, des irisations de la bulle de savon et la couleur structurelle des plumes de paon. Comme dans l'arc-en-ciel, aucun pigment n'entre en jeu mais uniquement des effets des ondes lumineuses. Documents R.George, D.R., NickyPe/Pixabay et redbubble.

Parfois il se produit une réflexion secondaire sur les gouttes d'eau qui donne naissance à un deuxième arc-en-ciel à l'extérieur du premier mais dont les couleurs sont inversées. On peut aussi apercevoir un troisième arc-en-ciel mais il devient très pâle et est souvent partiel.

Plus rarement, on peut observer un arc-en-ciel dans un arc-en-ciel comme le montre la photo présentée ci-dessous à droite prise au Japon en juillet 2021.

Parfois l'arc-en-ciel est moins coloré ou plus large. Si les gouttes d'eau sont relativement grosses (2 mm) il prendra une couleur rouge très intense avec un peu de violet et de vert. Par contre si les gouttes d'eau mesurent moins de 0.3 mm l'arc-en-ciel sera très pâle mais au moins deux fois plus large qu'un arc-en-ciel ordinaire et toutes les couleurs seront visibles. Entre les deux extrêmes, si tu observes un arc-en-ciel dans lequel le rouge est absent tu peux en déduire que les gouttes de pluie mesurent environ 0.5 mm de diamètre.

Le matin ou le soir tu peux également observer des arcs-en-ciel mais ils seront souvent rouges, simples ou multiples, mais sans pratiquement de couleur bleue comme sur l'image présentée ci-dessous à gauche. Ici aussi du fait que le Soleil est très bas sur l'horizon les lumières bleu et verte sont totalement diffusées dans l'atmosphère et n'atteignent plus le sol. Puisque le bleu et le vert ont disparu, l'arc-en-ciel paraît rouge.

A voir : Qu'est-ce qu'un arc en ciel et le problème avec la couleur rose, e-penser 2.0

A voir : Photos de véritables arcs-en-ciel, Alamy Images

A gauche et au centre, deux double arcs-en-ciel photographiés peu avant le coucher du Soleil, près de Namur (B). Comme d'habitude, ils sont apparus juste après des averses. Celui du milieu présente des rayons crépusculaires et forme ce qu'on appelle une roue arc-en-ciel. A droite, un arc-en-ciel s'est formé à l'intérieur d'un arc-en ciel (ou arcs-en-ciel surnuméraires). Documents T.Lombry et Osamu Oshima.

Si tu as l'occasion d'observer un arc-en-ciel depuis un ballon dirigeable ou un avion voire même le photographier avec un drone, il peut former un cercle comme le prouve cette photographie. L'arc-en-ciel subsiste en général un demi-heure s'il n'y a pas trop de nuages près du Soleil.

Il peut arriver que l'arc-en-ciel avance vers toi si la pluie s'approche ou que tu le traverses en roulant en voiture. Il n'y a aucune crainte à avoir car il s'agit simplement de gouttes de pluie éclairées par le Soleil mais l'effet est souvent spectaculaire; ce n'est pas souvent qu'on pénètre dans un arc-en-ciel !

Un deuxième phénomène atmosphérique associé à la lumière est la couronne. Elle se forme par la diffraction (la lumière se diffuse sur les obstacles) de la lumière de la Lune ou du Soleil par les gouttelettes d'eau des nuages. La couronne a les couleurs de l'arc-en-ciel et est centrée sur la Lune ou le Soleil.

Citons aussi la gloire qui est une couronne généralement rougeâtre à l'extérieur et légèrement bleutée et plus brillante sur le bord intérieur qui entoure une ombre dans la direction opposée au Soleil. On l'aperçoit le plus facilement en avion lorsqu'il survole un banc de nuages.

Un autre phénomène atmosphérique associé à la lumière est le halo lunaire ou solaire. Il se manifeste lorsqu'il y a des nuages élevés dans le ciel, des cirrostratus blanchâtres, annonçant l'arrivée d'un front et du mauvais temps. Il peut s'observer de jour comme de nuit.

A gauche, une couronne lunaire photographiée par Robert Morisan, en France. Au centre, une gloire entourant l'ombre d'un avion photographiée par Sarah. A droite, un magnifique halo solaire photographié par Marko Riikonen au pôle Sud le 11 janvier 1999.

Si le ciel est très pur et les nuages très fins, le halo peut présenter une structure très complexe affichant des arcs concentriques multiples et des appendices recourbées comme tu peux le voir sur la magnifique photographie présentée ci-dessus. Ce type de halo se manifeste surtout dans les régions froides ou d'altitude (aux pôles, dans les Alpes, les Pyrénées, le Canada, l'Alaska ou en Scandinavie en hiver).

 Les principales différences entre ces quatre phénomènes sont que la couronne et la gloire se forment par diffraction de la lumière tandis que l'arc-en-ciel et le halo se forment par réfraction de la lumière dans les gouttelettes d'eau ou les cristaux de glace. La couronne et la gloire sont également beaucoup plus petites que les halos (2 à 15° contre 22 à 46° de rayon).

Ciel bleu et Soleil rouge

La couleur bleue du ciel s’explique par la diffusion de la lumière par les molécules d'air contenues dans l'atmosphère. La plupart des couleurs, le rouge, l'orange et le jaune traversent l’atmosphère sans être trop dérangées par l'air. En revanche, la lumière bleue est absorbée par les molécules d'air qui réémettent ce rayonnement dans toutes les directions. La lumière bleue est ainsi dispersée dans tout le ciel. C’est la raison qui explique pourquoi, quel que soit l’endroit du ciel que tu observes, le ciel te paraît bleu. On peut donc en conclure que sur un astre sans atmosphère comme la Lune, la lumière ne sera pas diffusée et atteindra directement le sol sans être perturbée. Puisque le fond de l'espace est noir, sur la Lune le ciel sera également désespérément noir.

Pourquoi le ciel est plus sombre en altitude ? C'est également dû au phénomène de diffusion. En bordure de mer la densité de l’air est plus importante qu'en altitude et l'atmosphère contient aussi beaucoup plus de poussière et de vapeur d’eau soulevées du sol ou transportée par les vents. Il est donc normal que la lumière bleue soit plus diffusée en bordure de mer ou près du sol et que le ciel devienne donc plus clair car la lumière rencontre beaucoup plus d'obstacles qu’en altitude où l’air devenant plus rare, il influence moins la lumière bleue. D'ailleurs à partir de 50 km d'altitude où commence la stratosphère, la densité de l'atmosphère est tellement faible que le ciel devient noir.

Pourquoi le Soleil qui est de couleur jaune pâle la journée prend-il une couleur rouge le matin et le soir ? Au coucher du Soleil, la lumière devant traverser une plus grande épaisseur d'atmosphère, la diffusion de la lumière est plus importante, ce qui explique pourquoi le Soleil est beaucoup moins lumineux et qu'on peut l'observer sans être ébloui. Sa couleur passe progressivement de l'orange au rouge car cette fois ce sont non seulement les rayonnements bleus mais également les rayons verts qui sont diffusés et seule la lumière rouge finalement traverse l'atmosphère et parvient jusqu'à toi.

Parfois, lorsque le Soleil est tout près de l'horizon, à l'aube ou au crépuscule, on peut observer le disque rouge du Soleil puis subitement un flash vert comme on le voit ci-dessus à droite. Ce phénomène assez rare est un effet de la réfraction de la lumière et apparait plus facilement quand on observe la mer depuis un site élevé (une colline ou une montagne) ou un horizon dégagé vers le lever ou le coucher du Soleil depuis un site d'altitude (en haute montagne).

Enfin, parfois le ciel prend une couleur rouge-mauve en soirée; on dit qu'il baigne dans une lumière pourpre. Ce phénomène est provoqué par des poussières en suspension dans l'air. Cela se produit souvent après une éruption volcanique ou une explosion catastrophique qui a soulevé beaucoup de poussière, les vents les transportant jusqu'à plusieurs kilomètres d'altitude. Il faut attendre plusieurs jours pour que le ciel redevienne limpide. Pendant cette période le ciel est parfois si lumineux qu'il est possible de lire un magazine en plein nuit à l'extérieur sans éclairage d'appoint.

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