ARC-EN-CIEL

650. Le brillant phénomène connu sous le nom d'arc -en-ciel, se manifeste lorsque le soleil darde ses rayons sur un nuage qui se résoud en pluie; et qu'un observateur se trouve placé devant ce nuage, le dos tourné au soleil. L'arc-en-ciel paraît tantôt simple tantôt accompagné d'un second arc plus grand dont les couleurs sont dans un ordre inverse des siennes. L'élévation de l'arc-en-ciel est tantôt plus grande, tantôt plus petite , et souvent quand on est sur une haute montagne et que le soleil est à l'horizon, on voit l'arc achevé former une circonférence entière. Tâchons d'étudier la production de ces phénomènes : pour cela suspendons une goutte de pluie au moment de sa chute, et examinons l'action que les rayons solaires doivent exercer sur elle.

651. Ne considérons d'abord que les rayons lumineux provenant du centre du soleil, qui ne nous apparaîtra alors que comme un point lumineux. Tous les rayons menés du centre du soleil sur la goutte d'eau sont parallèles , en sorte qu'elle reçoit sur elle un faisceau cylindrique (f. 465). Le rayon rr' qui tombe perpendiculairement sur le point par lequel passe l'axe de la sphère liquide, y pénètre et la traverse sans éprouver de réfraction. Mais tout autre rayon tombant obliquement sur la surface du globule d'eau , est en partie refléchi et éprouve une réfraction en pénétrant dans cette sphère liquide (f. 466). Le rayon réfracté arrivant ainsi en o, par exemple, une partie de ce rayon sort de la goutte de pluie, et l'autre partie se réfléchissant sous un angle égal à celui d'incidence , va tomber en n et sort de la sphère liquide. Il peut se faire ainsi une série de réflexions successives, à chacune desquelles une partie du rayon sort du globule, en sorte que ce

rayoQ diminue de plus^'en plus d'intensité. L'angle abc compris entre les prolongations du rayon incident et du rayon réfracté est 'ce 'qu'on appelle la déviation.

La déviation est d'autant plus grande que le rayon incident s'écarle davantage de la normale r jusqu'à une certaine limite, audelà de laquelle la déviation diminue de nouveau à mesure que le rayon incident se rapproche des bords de la sphère. Vers cette limite où existe le maximum de déviation , les rayons très-voisins qui entrent dans la goutte de pluie, sont réfractés à pea près également, et rassortent de ce globule liquide en un petit faisceaa cylindrique perceptible à l'œil; tandis que les rayons tombés sur la goutte d'eau, en dehors ou en dedans de cette limite, sont déviés inégalement et ressortent isolément de la petite sphère, ce qui les rend imperceptibles à la vue. Ainsi , d'après ce que nous venons de dire , l'œil de l'observateur ne pourra apercevoir l'image du centre du soleil , que lorsqu'il se trouvera dans la direction de la partie réfractée du rayon tombé sur la goutte de pluie au point même de la limite où se trouve le maximum de déviation : le petit pinceau réfracté qui produit cette image porte le nom de rayons efficaces.

La limite que nous venons d'indiquer n'est pas la même pour les

7 rayons colorés , et varie avec leur réfrangibilité : c'est-à-dire,

que le maximum de déviation pour le rayon rouge existe lorsque

L'angle d'incidence est de S9° — 25' — 50"

L'angle de réfraction ... 40° — 12' — 10"

L'angle de déviation ... 42° — 1' — 40"

Et que le maximum de déviation pour le rayon violet existe lorsque

L'angle d'incidence est de 58° — 48' — 50" Celui de réfraction .... 59° — 24' — 20" Et celui de déviation ... 40° — 16' — 40"

Les maximums de déviation des autres rayons sont intermédiaires à ceux des rayons rouges et violets.

632. Le maximum de déviation étant de 42° pour le rayon rouge et de 40° pour le rayon violet, il s'ensuit que les rayons blancs partis du centre du soleil seront décomposés par la réfraction qu'ils éprouvent dans la goutte de pluie, de manière à ne faire apercevoir à l'œil de l'observateur qu'un point rouge

pour l'angle de déviation de 42° (a), et qu'un point violet pour l'angle de déviation de 40° ; les autres rayons colorés se placeront dans leur ordre naturel entre ces deux points.

Mais au lieu de ne consi<Iérer, comme nous l'avons fait jusqu'ici , que les rayons venus du centre du soleil , considérons ceux venant de toute la surface du disque solaire , dont la largeur nous apparaît sous un angle de 30' environ. Tous ces rayons étant parallèles subiront des eflets analogues, d'où il résulte que, au lieu de n'apercevoir par suite de l'action que ces rayons éprouvent en tombant sur le nuage pluvieux, que des points colorés, il se produira des images colorées du soleil entier sous une largeur égale de 30'.

Si nous nous représentons une série de globules de pluie disposés circulairement les uns à côté des autres , de manière à former la circonférence de la base d'un cône dont le soleil est le sommet, il est évident que chacun de ces petits globes produit l'effet indiqué. L'oeil de l'observateur placé dans une certaine position (f. 467) (6) apercevra donc un arc supérieur rouge séparé d'un arc violet inférieur par les arcs colorés des rayons intermédiaires : c'est ce phénomène qui est connu sous le nom d'arc-en-ciel.

Il est évident que les gouttes de pluie qui produisent Tarc-enciel étant, à mesure qu'elles tombent, remplacées sans discontinuité par de nouvelles gouttes, l'arc-en-ciel doit conserver son immobilité.

(a) Cela est de toute e'vidence puisque sous cet angle de déviation les rayons rouges sont les seuls qui soient re'fracte's parallèlement de manière à former un pinceau , et que sous l'angle de 40° ce sont les rayons violets qui jouissent seuls de cette proprie'té ; nous ne pouvons donc apercevoir sous 42" de de'vialion que les rayons rouges, sous 40° que les rayons violets, et les autres rayons intermëdiairement,

(i) On considère comme parallèles tous les rayons tombant du soleil sur la terre , à cause de la dislance considérable qui se'pare ces deux globes. Ainsi la ligne mn menée du soleil et passant par l'œil de l'observateur est parallèle aux rayons du soleil. En coupant dans l'œil même cette ligne par la ligne or qui fait avec elle un angle ron de 42" à 40", c'est-à-dire, un angle égal à la déviation edr , il est évident que toutes les gouttes d'eau que la ligne or rencontrera en tournant (toujours sous le même angle) autour de la ligne mon produiront des points colorés dont la série formera l'arc-en-ciel.

( 420 ) La largeur d'un arc-en-ciel est de 2° et 15'. Si Ton ne considérait que les rajons partis du centre du soleil, la largeur de l'arc produit par eux ne serait que la différence existante entre les maximums de déviation des rayons rouges et des rayons violets, c'est-à-dire, 42°, 1', 40" moins 40°, 16', 40" ou 1°, 45'; mais les rayons lumineux arrivant de toute la surface du disque solaire, il s'ensuit que chacun des arcs particuliers de Tarc-en-ciel a une largeur de 50' : il faut donc ajouter 15' de largeur en dedans et en dehors de l'arc total, ce qui lui donnera 2° 15' de large. Cet espace de 2° 15' ne suffisant pas pour que les rayons intermédiaires puissent s'y disposer chacun isolément, ces rayons sont forcés de se superposer les uns sur les autres, d'où résulte le peu de netteté des nuances moyennes de l'arccn-ciel.

653. Souvent au-dessus de Tarc-en-ciel , on en voit un second dont les couleurs sont plus faibles et dans un ordre renversé , c'est-à-dire , dans lequel l'arc violet est circonscrit à Tare rouge. Ce second arc est produit par une double réflexion qu'éprouvent dans (f. 468) les gouttes de pluie des rayons solaires qui en sortent alors, sous un maximum de déviation de 50° 58' pour les rayons rouges , et de 54° 9' pour les rayons violets; d'après cela, et en tenant compte de la largeur de la figure solaire, la largeur de ce second arc-en-ciel (f. 469) apparaîtra sous un angle de 5° 40'. La distance qui sépare les deux arcs-en-ciel est de 8° 7'. Il est évident (f. 468) que le second arc-en-ciel ne peut être produit que par les rayons qui tombent sur la partie inférieure de la goutte de pluie.

654. Lorsqu'on est placé devant une grande masse d'eau, on aperçoit quelquefois 4 arcs-en-ciel. Deux de ces arcs-en-ciel sont ceux dont nous venons d'expliquer la formation , et les deux outres sont dûs à ce que l'image du soleil apparaissant aux gouttes de pluie au-dessous de la surface liquide, agit sur elle comme un second soleil. Donc les deux premiers de ces arcs-en-ciel sont produits par la réfraction des rayons directs du soleil , et les deux autres sont produits par la réfraction des rayons solaires réfléchis par la surface du liquide (f. 470). Le phénomène de Tapparition de 4 arcs-en-ciel est très-rare.