La plupart des gens ont déjà aperçu un magnifique arc de couleur dans le ciel, pendant ou après une averse. Mais quelle est la raison de leur formation? Pour bien comprendre ce phénomène, il faut connaître les principes de réfraction, de réflexion et de dispersion de la lumière.

Tout d’abord, la réfraction, c’est lorsque la lumière est déviée lors d’un changement de milieu. La différence entre l’angle d’incidence (en rouge) et l’angle de réfraction (en bleu) varie selon la nature des deux milieux ainsi que la longueur d’onde du rayon (voir Pourquoi le ciel est bleu? pour en apprendre plus sur les longueurs d’onde). C’est d’ailleurs pour cette raison qu’une paille dans un vers d’eau semblera plus grosse et coupée en deux. En effet, l’air, étant moins dense que l’eau, a une réfringence plus basse. La réfringence, c'est la capacité d'une substance à dévier un rayon lumineux. L’angle d’incidence d’un rayon passant de l’air à l’eau sera donc plus grand que l’angle de réfraction, comme montré dans le schéma de gauche.

De même, comme démontré dans le schéma de droite, si un angle passe d’un milieu dense vers un milieu moins dense, il existe un angle critique au-delà duquel la lumière est totalement réfléchie, comme un miroir. Ce phénomène ce nomme la réflexion totale interne.

Lorsqu’un rayon entre dans une goutte d’eau, il y a une réfraction, une réflexion totale interne puis une autre réfraction, comme illustré dans le schéma de gauche. La lumière blanche du Soleil est composée de toutes les couleurs. Les rayons lumineux de couleurs différentes n’ont pas la même longueur d’onde, et ne se réfractent pas de la même manière. La couleur blanche du rayon est donc décomposée en rayons de couleurs, ce qui se nomme la dispersion. Comme expliqué dans les images ci-dessous, quelqu’un étant dos au Soleil lorsqu’il y a des particules d’eau dans l’air observera donc deux arcs-en-ciel, dont un plus grand mais plus pâle.