Comment se forme un arc-en-ciel ?
Un arc-en-ciel apparaît quand la lumière du Soleil traverse des gouttes d’eau et revient vers tes yeux en séparant ses couleurs. Pour comprendre ce grand arc coloré, il faut suivre le voyage de la lumière dans une toute petite goutte.
Les couleurs cachées du Soleil
La lumière du Soleil paraît blanche, mais elle contient toutes les couleurs visibles. Habituellement, elles arrivent ensemble dans tes yeux : tu ne les distingues donc pas séparément. Dans certaines conditions, les gouttes d’eau permettent de les étaler, du rouge au violet.
On parle souvent des sept couleurs de l’arc-en-ciel : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. C’est une manière pratique de les nommer et de les mémoriser. Tu ne trouveras pourtant pas sept bandes aux limites bien nettes : les couleurs passent progressivement de l’une à l’autre.
La goutte ne fabrique donc pas les couleurs et ne colore pas l’eau. Elle sépare des lumières déjà présentes dans celle du Soleil : c’est ce qu’on appelle la dispersion. Pour comprendre comment se forme un arc-en-ciel, tu peux commencer par retenir cette séparation.
Le voyage dans une goutte
Quand un rayon de soleil entre dans une goutte, il passe de l’air à l’eau. Sa direction change : c’est la réfraction. Comme les différentes couleurs ne sont pas déviées exactement de la même façon, elles commencent à se séparer. Le violet est davantage dévié que le rouge à cette étape.
Une partie de la lumière atteint ensuite le fond de la goutte et est renvoyée vers l’intérieur. C’est une réflexion interne. La lumière retraverse alors la goutte, puis ressort dans l’air. À la sortie, elle est encore réfractée, ce qui accentue la séparation des couleurs.
Le trajet responsable de l’arc-en-ciel principal comporte donc deux réfractions et une réflexion interne. Mais une goutte n’envoie pas toute la lumière reçue vers tes yeux : une grande partie suit d’autres chemins. Ce sont certains rayons, arrivant dans les bonnes directions, qui rendent l’arc visible.
Pourquoi voit-on un arc ?
Une seule goutte ne dessine pas tout l’arc-en-ciel que tu observes. À un instant donné, tu reçois surtout une certaine couleur depuis une goutte donnée. D’autres gouttes, placées ailleurs, t’envoient les autres couleurs. L’arc visible résulte ainsi de la lumière provenant d’un très grand nombre de gouttes.
Les rayons qui forment l’arc principal arrivent selon des directions bien précises par rapport à la direction opposée au Soleil. Le bord rouge se trouve à environ 42 degrés de cette direction. Les gouttes qui t’envoient cette lumière se répartissent donc sur un cercle apparent.
Depuis le sol, tu ne vois généralement qu’une partie de ce cercle, car le sol masque le reste. C’est pour cela que l’arc-en-ciel a la forme d’un pont et non d’un anneau. Il n’a pourtant ni piliers ni extrémités posées à un endroit précis.
Si tu te déplaces, les gouttes qui envoient leur lumière vers tes yeux changent aussi. Tu ne peux donc pas rejoindre le pied d’un arc-en-ciel : ce n’est pas un objet installé dans le paysage.
Et quand il y en a deux ?
Dans l’arc principal, le rouge est à l’extérieur et le violet à l’intérieur. Un deuxième arc apparaît parfois au-dessus du premier. Il est généralement moins lumineux et ses couleurs sont inversées : le rouge est alors du côté intérieur.
Cet arc secondaire correspond à de la lumière qui a subi deux réflexions à l’intérieur des gouttes, au lieu d’une seule. Ce trajet différent explique sa position et l’ordre inversé de ses couleurs. Moins de lumière ressort dans les directions qui le rendent visible, d’où son aspect souvent plus pâle.
Entre les deux arcs, le ciel peut sembler plus sombre. Ce contraste vient lui aussi de la répartition des rayons après leur passage dans les gouttes, et non d’une bande de nuages nécessairement plus épaisse.
Quand peut-on l’apercevoir ?
Pour voir un arc-en-ciel de pluie, il faut généralement du soleil derrière toi et des gouttes d’eau éclairées devant toi. Une averse qui s’éloigne pendant que le Soleil réapparaît est donc une bonne occasion d’en observer un. La pluie n’a pas besoin de tomber exactement là où tu te trouves.
Le Soleil doit aussi être assez bas dans le ciel pour que l’arc principal soit visible au-dessus d’un sol plat. C’est pourquoi le matin et la fin d’après-midi sont souvent favorables. Plus le Soleil est bas, plus l’arc peut sembler haut.
Des gouttelettes projetées dans l’air peuvent également produire un arc-en-ciel : une averse n’est pas indispensable. Il faut que la lumière rencontre les gouttes et que tu sois au bon endroit pour observer l’arc. Pour le chercher, regarde la partie du ciel opposée au Soleil, jamais le Soleil directement.
À partir de quel âge ?
Dès 5 ans, vous pouvez expliquer que la lumière du Soleil contient plusieurs couleurs et que les gouttes les séparent. L’observation et la description des couleurs suffisent, sans demander de retenir les mots scientifiques.
Vers 8 à 10 ans, vous pouvez introduire la réfraction, la réflexion et le trajet dans une goutte. À partir de 11 ans, vous pouvez approfondir l’explication en abordant la forme circulaire et les deux réflexions de l’arc secondaire. Ces repères restent souples : adaptez surtout l’explication aux questions de l’enfant.
À faire ensemble
Vous pouvez échanger autour de deux questions : « Pourquoi les couleurs sont-elles toujours dans le même ordre ? » et « Pourquoi ne peut-on pas rejoindre le pied de l’arc-en-ciel ? ». La première renvoie aux déviations différentes des couleurs dans les gouttes ; la seconde rappelle que l’arc dépend de la position de celui qui le regarde. Laissez l’enfant exprimer ses idées, puis appuyez-vous sur le voyage de la lumière pour en discuter.
Pour approfondir ces explications, vous pouvez lire notre page sur les arcs-en-ciel. Elle permet aussi de comprendre que plusieurs phénomènes optiques peuvent séparer les couleurs de la lumière : les résultats peuvent se ressembler sans que la lumière suive le même trajet. Un adulte accompagne toute expérience réelle.
Tu peux aussi découvrir la différence entre lumière et colorants. Des colorants qui se dissolvent et se déplacent dans l’eau peuvent former un ensemble multicolore, mais ce n’est pas la lumière blanche qui se sépare. Le mot « arc-en-ciel » décrit alors l’apparence des couleurs, pas le phénomène qui forme l’arc dans le ciel.
Notre explication de la capillarité te permettra de comprendre comment de l’eau colorée peut avancer dans un matériau absorbant. En comparant ces phénomènes, tu peux te demander ce qui se déplace : la lumière, un colorant ou l’eau elle-même ? Des couleurs qui se ressemblent peuvent ainsi s’expliquer par des phénomènes scientifiques très différents.
Sources : Met Office · NOAA SciJinks