Pourquoi l'arc-en-ciel que vous voyez est unique pour vous

Le soleil commence à percer à travers une averse passagère. Vous levez les yeux et apercevez un magnifique arc-en-ciel qui enjambe le ciel. Votre ami, debout à côté de vous, le voit lui aussi.

Vous ne vous en rendez peut-être pas compte, mais votre arc-en-ciel vous apparaît légèrement différent de celui de votre ami.

En réalité, chaque arc-en-ciel est unique pour celui qui le contemple, car les arcs-en-ciel ne sont pas des objets physiques : il s'agit d'un phénomène optique qui s'adapte à vos yeux.

Angles précis

"Un arc-en-ciel est le motif que l'on obtient lorsque le soleil (lumière blanche) est réfléchi et réfracté par des millions de gouttes de pluie dans le ciel", explique Philip Laven, expert en arc-en-ciel, à l'émission CrowdScience de la BBC World Service.

Pour voir un arc-en-ciel, le soleil doit être derrière vous, les gouttes de pluie doivent être devant vous et la lumière du soleil doit pouvoir atteindre la pluie sans être bloquée par les nuages.

Ensuite, une géométrie merveilleuse se produit.

Lorsque la lumière tombe sur une goutte de pluie, elle ralentit dans l'eau et se courbe, explique Laven. C'est ce qu'on appelle la réfraction.

Les différentes couleurs, ou longueurs d'onde, de la lumière se courbent légèrement différemment, de sorte que la lumière blanche se diffuse dans toutes ses couleurs constitutives.

Lorsque les rayons lumineux atteignent l'arrière de la goutte de pluie, ils sont réfléchis à l'intérieur. Et lorsqu'ils atteignent le bord opposé de la goutte de pluie, ils sont à nouveau réfractés, dispersant ainsi encore plus les couleurs.

La lumière rouge finit par sortir à environ 42 degrés par rapport à l'endroit où la lumière d'origine est entrée, tandis que la lumière bleue ou violette sort à environ 40 degrés.

Lorsque vous levez les yeux, certaines gouttes de pluie situées plus haut dans le ciel déforment la lumière rouge à angle droit pour atteindre votre œil, tandis que la lumière bleue qui s'y trouve est courbée au-dessus de vous.

Lorsque les gouttes de pluie tombent plus bas, c'est la lumière bleue qui atteint votre œil.

C'est pourquoi vous voyez généralement du rouge sur le bord extérieur supérieur d'un arc-en-ciel et du bleu sur le bord intérieur inférieur.

En fait, les arcs-en-ciel forment un cercle autour d'un centre appelé point antisolaire, qui se trouve être l'endroit où se trouve l'ombre de votre tête. Mais normalement, nous ne voyons pas la partie inférieure du cercle car elle se trouve sous le sol.

Plus le Soleil est bas, par exemple au lever et au coucher du soleil, plus le cercle est visible.

Si le Soleil est à plus de 42 degrés au-dessus de l'horizon, même le sommet de l'arc-en-ciel se trouverait sous le niveau du sol.

"En général, on ne voit pas d'arc-en-ciel au milieu de la journée", explique Laven.

Si votre ami se tenait à votre gauche ou à votre droite, la lumière sortirait des gouttes de pluie et atteindrait ses yeux dans une direction légèrement différente.

Et si tu te déplaçais et qu'il prenait ta place ? Eh bien, s'il était plus grand ou plus petit que vous, la lumière atteindrait également ses yeux dans une direction différente.

Et même s'il était exactement à la même hauteur et se trouvait exactement au même endroit, la Terre aurait légèrement pivoté par rapport au Soleil et la lumière aurait de nouveau changé.

Écrans doubles

Si vous êtes tous les deux assez chanceux, vous pourriez voir deux arcs-en-ciel en même temps.

"Si le ciel entre vous et l'arc-en-ciel est assez clair, vous pourrez peut-être voir un arc-en-ciel dit secondaire", explique le physicien Ping Wah Li, professeur adjoint à l'université chinoise de Hong Kong.

Cet arc-en-ciel secondaire est dû au fait que la lumière est réfléchie deux fois à l'intérieur de la goutte de pluie avant d'être réfractée vers l'extérieur.

Les couleurs apparaissent dans l'ordre inverse : rouge à l'intérieur de l'arc et violet à l'extérieur.

Il y a une plus grande différence d'angle entre le rouge et le violet, de sorte que l'arc-en-ciel secondaire semble plus large que l'arc-en-ciel principal. Mais la lumière est également plus faible, ce qui rend la vision plus difficile.

Il est possible que la lumière soit réfléchie encore plus de fois à l'intérieur de la goutte de pluie.

Un arc-en-ciel du troisième ou du quatrième ordre émergerait en direction du Soleil, ce qui le rendrait très difficile à voir, explique Li.

Et tandis qu'un arc-en-ciel du cinquième ordre apparaît de l'autre côté, il serait extrêmement faible à l'œil humain. Étonnamment, un chercheur a réussi à capter les teintes rares devant la caméra en 2012.

Taille angulaire

Votre arc-en-ciel peut être formé par des rayons lumineux différents de ceux de l'arc-en-ciel de votre ami, mais une chose ne change pas : sa taille.

Tous les arcs-en-ciel occupent le même espace devant vous, selon Raymond Lee, météorologue et professeur de recherche à la retraite à l'Académie navale américaine.

Il explique que puisqu'un arc-en-ciel n'est pas un objet, "il n'a pas de taille linéaire".

Au lieu de cela, le phénomène optique ne peut être décrit que par sa taille angulaire, c'est-à-dire l'angle d'une extrémité à l'autre de l'arc par rapport à vous.

"Le rayon est d'environ 42 degrés, il faut donc le doubler pour obtenir le diamètre, ce qui fait 84 degrés", explique Lee.

Et il s'avère que l'angle est le même, peu importe où vous vous tenez. C'est donc au moins une chose que vos arcs-en-ciel et ceux de votre ami ont en commun.

D'après un épisode de CrowdScience diffusé sur BBC World Service. Reportage supplémentaire d'Ellen Tsang.

Nous avons utilisé l'IA pour aider à traduire cet article, rédigé à l'origine en anglais. Un journaliste de la BBC a vérifié la traduction avant sa publication. En savoir plus sur la manière dont nous utilisons l'IA.