Vous avez sans doute déjà remarqué la présence des couleurs de l’arc-en-ciel à la surface des flaques d’essence. On peut également l’observer sur différentes matières comme les bulles de savon, ou encore sur les ailes de certains insectes. Ce phénomène est causé par la dispersion de la lumière et la présence d’interférences lumineuses.

Pour comprendre le phénomène, analysons tout d’abord la géométrie de la flaque d’essence, ainsi que son interaction avec la lumière. Modélisons le sol portant la flaque d’essence, composée d’une fine couche d’eau et d’huile, dont la hauteur des surfaces présentent des irrégularités. L’épaisseur de la flaque varie en fonction de la position où l’on se trouve.

La lumière arrivant sur la flaque est celle du soleil. Elle est donc blanche, et composée de toutes les couleurs de l’arc- en-ciel ( plus précisément, elle est composée d’ondes électromagnétiques avec une longueur d’onde comprise entre 400 et 800 nanomètres). Lorsqu’un rayon lumineux arrive sur la surface de la flaque, il change de milieu. Il y a une partie de la lumière qui est réfléchie, et l’autre transmise. Cette dernière traverse la couche d’essence.  Or, contrairement à l’air, l’essence est un milieu dispersif : la célérité des ondes traversant le milieu varie en fonction des longueur d’onde, et donc les indices de réfraction également. Les différentes longueurs d’onde sont donc « séparées » comme dans un prisme ! Il en résulte une multitude d’ondes monochromatiques différentes (contenant une seule longueur d’onde). Ces dernières sont réfléchies, traversent l’air ambiant et atteignent nos yeux. La lumière blanche réfléchie par la surface de la flaque atteint directement nos yeux.

 Cependant, ce n’est pas la cause première de l’irisation des flaques d’essence. C’est un facteur nécessaire pour l’apparition d’interférences.

Nous avons que les rayons lumineux sont composées d’ondes électromagnétiques. Les ondes monochromatiques (les rayons réfléchis à la surface de l’eau) vont ainsi interagir avec la lumière blanche. En effet, les ondes lumineuses de même longueur d’onde s’ajoutent. Par exemple, l’onde monochromatique rouge va s’ajouter avec la composant rouge de la lumière blanche. Si les deux ondes sont en opposition de phase, elles s’annulent entre elles : il y a interférence destructive ! L’onde résultante en ressort nulle.

Ce déphasage provient de la différence des chemins parcourus entre les deux rayons lumineux. En effet, le rayon monochromatique parcourt une plus grande distance que le rayon réfléchit directement par la surface de la flaque. Pour qu’il y est une interférence destructive, il faut que cette différence soit égale à (k+ ½)x λ(avec lambda la longueur d’onde de l’onde considérée), avec k un entier quelconque. On appelle cette différence de chemin parcourue « la différence de marche ». Par exemple, si la différence de marche entre la lumière blanche et l’onde monochromatique est de ½ x  λ , la composante rouge de la lumière blanche va interférer avec l’onde monochromatique rouge et s’annuler. La lumière qui va arriver à nos yeux contiendra toutes les couleurs sauf le rouge : on verra donc une lumière cyan. Or, cette différence de chemin parcouru dépend de l’épaisseur de la flaque, qui n’est pas la même partout. Certaines longueurs d’onde vont donc interférer à des endroits différents de la flaque, ce qui va générer (pour nos yeux) une répartition de différentes couleurs à la surface de la flaque !