Les arc-en-ciel font partie des phénomènes météorologiques les plus connus et spectaculaires lorsque leurs couleurs se déploient dans le ciel. Facilement reconnaissables grâce à leur forme en demi-cercle et à leur gamme de couleurs chatoyantes, les arc-en-ciel peuvent également prendre, plus rarement, une teinte uniforme. Ce phénomène encore plus impressionnant est appelé un arc-en-ciel monochromatique.
Les arc-en-ciel sont des phénomènes qualifiés de photométéores, c’est-à-dire un phénomène optique atmosphérique qui se produit lorsque la lumière du Soleil subit une réflexion ou une réfraction. Dans le cas de l’arc-en-ciel, cela se produit lorsqu’il pleut. La lumière du Soleil subit alors une dispersion, faisant apparaître son spectre de manière continue sous la forme d’un dégradé de couleurs prenant la structure d’un arc.
Lorsque la lumière solaire traverse les gouttes de pluie sphériques en suspension dans l’atmosphère, elle subit premièrement une réfraction à l’entrée de la goutte, puis une réflexion, et de nouveau une réfraction en sortie. L’angle de réfraction en sortie à l’arrière de la goutte dépend de la longueur d’onde des rayons lumineux. Ainsi, les différentes longueurs d’onde se retrouvent superposées à l’interface eau-air et, pour un observateur fixe, la couleur rouge apparaît donc à la périphérie de l’arc, tandis que le violet y apparaît à l’intérieur, séparés par un dégradé.
La taille et la position de l’arc-en-ciel dépendent entièrement de l’observateur et de sa situation par rapport au phénomène. La distance entre l’observateur et la zone pluvieuse, ainsi que la position du Soleil par rapport à ces éléments, déterminent les paramètres du phénomène pour l’observateur. Il est ainsi impossible, contrairement à ce qu’en disent certaines légendes, de se rendre au pied d’un arc-en-ciel pour y trouver un trésor.
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Dans certains cas, lorsque le Soleil est sur la ligne d’horizon, à son lever ou à son coucher, une rare variation de l’arc-en-ciel peut se produire : l’arc-en-ciel monochromatique. L’angle plus faible du Soleil impose une trajectoire plus longue à ses rayons lumineux pour traverser l’atmosphère. Cela entraîne la dispersion des longueurs d’ondes plus courtes (bleu, vert, jaune), laissant alors seulement les longueurs d’onde plus longues, principalement le rouge.
Dès lors, en lieu et place d’une décomposition spectrale de couleurs continue, le phénomène n’apparaît que sous la forme d’un arc monochrome, l’aspect spectaculaire de l’effet étant renforcé lorsqu’il se produit dans un environnement peu lumineux. Si différentes couleurs peuvent apparaître, le rouge est la couleur majoritaire observée lorsque le phénomène se produit.