Pourquoi les arc-en-ciel ont-ils sept couleurs ?

La question

Que ce soit sur les dessins d'enfants ou dans la culture populaire, l'arc-en-ciel est généralement représenté comme une bande à sept couleurs, traversant de part en part le ciel. Cette bande de lumière, visible les jours ensoleillés et humides tombe selon les légendes sur la terre, et à son pied se trouve tantôt un trésor, tantôt le royaume des dieux, tantôt la terre des morts. Si l'arc-en-ciel fascine, beaucoup ignorent la raison de son apparition. D'autres ignorent que ses couleurs sont en réalité en nombre infini. Peu importe la question, vous trouverez ici la réponse, mais vous découvrirez aussi pourquoi l'arc-en-ciel est décrit comme ayant sept couleurs !
 
arc en ciel

La réponse

Suivant les cultures, l'arc-en-ciel est décrit comme ayant entre 3 et 9 couleurs. Des trois couleurs d'Aristote, aux septs de la culture occidentale, ce choix est bien sûr relativement arbitraire puisque l'arc-en-ciel est constitué d'une infinité de couleur, nous le verrons par la suite. Seulement, pour le décrire, le dessiner, l'appréhender, il a bien fallu lui attribuer un nombre de couleur descriptive. Ce choix -en Occident- c'est porté sur sept couleurs qui sont: rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet auxquelles se rajoutent parfois les couleurs supplémentaires: cyan, magenta ou encore safran.
 
spectre de la lumière visibleHistoriquement, lorsqu'Isaac Newton -découvreur de l'origine du phénomène- en a fait la description, il ne dénombre que six couleurs, l'indigo ayant été rajouté par la suite. Pourquoi ? Pour que l'arc-en-ciel, phénomène culturellement mystique, puisse avoir sept couleurs. En effet, des septs jours de la création aux septs péchés capitaux, des septs jours de la semaine aux septs plaies d'Egypte, ce chiffre est le chiffre de Dieu. De plus en lui attribuant sept couleurs, l'arc-en-ciel, phénomène lumineux, est rapproché du phénomène sonore de la gamme des septs notes de musique.
 
Quant-au magenta? C'est une couleur primaire que l'on aimerait bien associer à l'arc-en-ciel. Pourtant, cette couleur n'y est pas. En effet, d'un point de vue de la physique, le magenta n'est pas une couleur monochromatique mais fut ajoutée arbitrairement au spectre pour obtenir un cercle chromatique (représentation circulaire des couleurs).
 
Si l'arc-en-ciel est représenté avec sept couleurs, voyons maintenant pourquoi il apparaît parfois dans le ciel. Rappelons tout d'abord que la lumière dite blanche (comme celle qui provient du soleil) est une lumière polychromatique, c'est à dire composée de plusieurs couleurs. En l'occurence, la lumière du soleil et visible par l'humain correspond au mélange d'une infinité de couleurs dont la longueur d'onde est comprise entre 380 et 740 nanomètres, du violet vers le rouge.
Error
L'oeil humain ne voit que les longueurs d'onde entre 380 et 740 nanomètres, soit du violet au rouge.
arc en ciel
Formation de l'arc-en-ciel et d'un arc secondaire.
Lorsque la lumière du soleil rencontre les gouttes d'eau de l'atmosphère, la lumière entrant dans une goutte est réfractée une première fois. Sur l'interface de sortie, elle subit une légère réflexion, puis une seconde réfraction en sortant de la goutte.
La réfraction est une déviation de la longueur d'une onde, lorsque sa vitesse se modifie en changeant de milieu. Concrètement, la lumière est déviée en entrant dans la goutte suivant le même phénomène que celui qui fait apparaître votre paille tordue lorsqu'elle est plongée dans un verre d'eau. Certains se rapelleront certainement la formule de Snell-Descartes vue au lycée: n1.sin(i1)=n2.sin(i2), sinon, ce n'est pas si grave!
 
Réfraction et réflexion
Détail de l'image précédente au niveau du nuage: entrée d'un rayon de lumière blanche et sortie après réfraction et réflexion dans une goutte d'eau.
 
La réflexion pour sa part, est l'émergence de rayon lumineux du même côté de l'interface que leur rayon d'origine. Encore une fois plus concrètement, c'est le fait que des rayons arrivant sur une surface 'rebondissent' dessus et 'repartent' au lieu de la 'traverser'. C'est ce qui se passe devant un mirroir.
 
L'arc-en-ciel n'existe pas vraiment physiquement (il n'est pas palpable) mais est un effet d'optique dépendant notamment de la position de l'observateur. La fraction de lumière visible par l'oeil se diffracte en passant dans les gouttes d'eau comme elle le ferait au travers d'un prisme. Chaque longueur d'onde est réfractée selon un angle différent. Ces longueurs d'onde 'mélangées' se se trouvent ainsi séparées au travers de la goutte. En s'étalant, la lumière laisse alors apparaître tout son spectre: c'est l'arc-en-ciel.
Logo attention
En temps que pur phénomène optique, l'arc-en-ciel n'a pas de "pied" ; peu importe où l'on se trouve, le 'bas' de l'arc-en-ciel est toujours au loin !
 
En résumé...
 
La lumière visible par l'homme, dite blanche, est composée d'une infinité de longueur d'onde, comprises entre 380 et 740nm. Lorsque l'atmosphère est humide, les rayons du soleil traversent les gouttes d'eau et subissent deux phénomènes physique différents: une réflexion et deux réfractions. Comme chaque longueur d'onde de la lumière blanche se réfracte selon un angle différent, le rayon se trouve explosé en une multitude de couleurs. Culturellement et par soucis de simplicité, ces couleurs ont été décrites comme au nombre de sept, même s'il y en a en réalité une infinité selon un dégradé continu.

Pour aller plus loin...

- l'arc-en-ciel (article Wikipédia)
 
 
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