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Les effets provoqués par la lumière

L'arc-en-ciel et le 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 différents bandes radiales avec les couleurs de l'arc-en-ciel, en la 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 donne les différentes couleurs du spectre. Inversement, la synthèse additive des couleurs (le bleu + le vert + le rouge) donne du blanc.

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 un halo ou encore des irisations près du Soleil. Voyons ces différents phénomènes en détail.

Document T.Lombry

L'arc-en-ciel se manifeste toujours après la pluie ou sous les embruns d'une cascade d'eau, lorsque le Soleil est à mi-chemin entre le zénith et l'horizon et lorsque tu as le Soleil dans le dos.

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. 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. Plus rarement on peut apercevoir un troisième arc-en-ciel mais il devient très pâle et est souvent partiel.

Parfois l'arc-en-ciel n'est pas multicolore. 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. 

Il existe deux manières de décomposer la lumière blanche: artificiellement en utilisant un prisme ou naturellement comme ici lorsqu'un arc-en-ciel se forme suite à la réfraction de la lumière solaire dans les gouttes d'eau. Document Daniel Bayer.

L'arc-en-ciel subsiste en général un demi-heure s'il n'y a pas trop de nuages près du Soleil. Tu peux aussi facilement les observer sous le Soleil, près des grandes chuttes d'eau et des cascades dans lesquelles il y a beaucoup d'embruns, de vapeur d'eau en suspension dans l'air.

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 prend la couleur d'un arc-en-ciel !

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 à droite. Ici aussi du fait que le Soleil est très bas sur l'horizon la lumière bleu est totalement diffusée dans l'atmosphère et n'atteint plus le sol. Toutes les autres couleurs sont donc décomposées, mais puisque le bleu a disparu l'arc-en-ciel paraît rouge.

Document Riikonen.

Le second 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.

Lorsque ce type de nuage n'est pas trop épais et commence à couvrir plus de la moitié du ciel le Soleil ou la Lune peut s'entourer d'un immense cercle brillant légèrement coloré, rougeâtre vers l'intérieur et bleuté vers l'extérieur. Ce halo est produit par la décomposition de la lumière à travers les cristaux de glace qui constituent ces nuages. En effet à plusieurs kilomètres d'altitude, il fait très froid, -20 à -50°C et ces nuages sont en fait gelés et contiennent des milliards de petits morceaux de glace qui agissent comme autant de petits prismes décomposant la lumière. Le phénomène peut durer une heure.

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 polaires.;

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. Par contre 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, quelle 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, le ciel de la Lune 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 poussières 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 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.

Coucher de Soleil sur le Mont St Michel. Document Obs.Paris/DASOP. Lumière poupre à Lombok, Indonésie. Document Mike Meaney, http://mikemeaney.com/ Un rayon vert photographié au coucher du Soleil par Eric Frappa.

Pourquoi le Soleil 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 puisse être observé sans éblouir. 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 poussières, 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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