Les tribulations d’un astronome

L’arc-en-ciel de brouillard

jeudi 20 mai 2010 par Guillaume Blanc

Lors d’une randonnée en montagne, en janvier dernier, j’ai vu une sorte d’arc-en-ciel tandis que nous émergions du brouillard pour retrouver le soleil. Perplexe devant la gueule de la chose qui ne ressemblait pas à un véritable arc-en-ciel, mais plutôt à un truc loupé, j’avais remisé la chose dans mon appareil photo et dans un coin de ma tête.

Une sorte d’arc-en-ciel apparaît derrière nous tandis que nous sortons du brouillard avec le soleil juste en face...
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Et puis en feuilletant les APOD de ces derniers jours, je suis tombé sur l’image d’un phénomène qui ressemble sacrément à mon arc-en-ciel raté. Il s’agit d’un « fogbow » dont la traduction en français semble être « arc blanc », malgré le fait qu’il puisse être coloré. L’anglais semble être ici plus adéquat, fogbow pourrait se traduire littéralement par « arc de brouillard ». Un peu comme « rainbow » — notre arc-en-ciel à nous, qui, pour le coup, est un mot plein de poésie que je préfère à son copain anglais —, qui signifie «  arc de pluie ». Évidemment, ça dit bien ce que ça veut dire. Toujours est-il que « arc blanc » c’est moche, et ce n’est pas très explicite ! Disons « arc-en-ciel de brouillard » ?

Sur le phénomène que j’ai photographié, on observe un premier arc lumineux, extérieur, qui pourrait être un arc-en-ciel très diffus, comme brouillé : il est rougeâtre vers l’extérieur et bleuâtre vers l’intérieur. Puis, on observe une bande sombre, et un autre arc, à l’intérieur, d’intensité plus faible, et dont les couleurs sont inversées (rouge à l’intérieur, bleu à l’extérieur). Si on regarde bien, on devine un troisième arc à l’intérieur de celui-ci.

La formation de l’arc primaire est similaire à celle d’un arc-en-ciel « normal », à savoir la réflexion de la lumière du soleil à l’intérieur de gouttes de pluie. Sauf que dans le cas de l’arc-en-ciel la taille des gouttes d’eau mise en scène est très grande (0,5 millimètre et plus) devant la longueur d’onde de la lumière (0,4 à 0,8 micromètres), il s’agit donc d’optique géométrique classique avec réfraction entre l’air et une goutte d’eau sphérique. Mais quand la taille des gouttelettes est petite (10 à 20 micromètres), et proche de la longueur d’onde de la lumière, des effets liés au fait que la lumière est une onde apparaissent. La lumière est diffractée.

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Croix de diffraction d’un lampadaire extérieur par le rideau d’une fenêtre : on voit les tâches secondaires sur les bras de la croix et leur coloration.

Les ondes ont effectivement cette faculté de contourner, dans une certaine mesure, les obstacles. Obstacles dont la taille doit être de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde. Obstacles qui peuvent être opaque (une poussière dans le trajet des rayons lumineux) ou au contraire un trou dans un matériau opaque. Notons au passage que la diffraction est un phénomène ondulatoire, et existe ainsi pour tous les types d’onde, pas seulement pour la lumière : les vagues à la surface de la mer peuvent aussi être diffractées (par exemple à l’entrée, étroite, d’un port, et ainsi pénétrer dans celui-ci), le son, et même les particules (neutrons, électrons, atomes, etc).

Dans notre histoire de gouttelette, les rayons lumineux qui pénètrent dans la goutte (on dit qu’ils sont réfractés) vont être réfléchis mais aussi diffracté par la petite taille de celle-ci. Ainsi les rayons émergents vont s’en trouver élargis (« étalés ») par rapport au cas des grosses gouttes. C’est pourquoi on observe cet aspect diffus sur cet arc-en-ciel de brouillard. C’est la diffraction qui brouille un peu l’image. Parfois elle peut même être décolorée par le brouillage : c’est l’arc blanc !

Plus les gouttes d’eau sont petites, plus ce phénomène va être important. Par ailleurs la diffraction dépend de la couleur (la longueur d’onde), chacune d’elle n’étant pas déviée de la même façon, ce qui donne ce petit côté irisé à la croix du rideau !

Un peu de science sur les skis, finalement, ça ne fait pas de mal !


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