Pourquoi le ciel est-il bleu ?

Pourquoi le ciel est-il bleu ?
Par , le (édité le 15/04/2015)

Le ciel apparait bleu car des rayons indirects du soleil sont diffusés dans toutes les directions par les molécules qui constituent l'atmosphère, et certains de ces rayons atteignent l'œil. Comme les molécules diffusent mieux le bleu que le rouge, le ciel a une couleur bleue. Cette page explique pourquoi.

Pour fabriquer un ciel bleu à la maison, regarde cette expérience.

Ciel bleu

Explication

La lumière du soleil contient des faisceaux de toutes les couleurs

La lumière du soleil apparait blanche. Cette couleur résulte en fait de la superposition de rayons de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, et de bien d'autres "couleurs" qui ne sont pas visibles par l'œil humain:

Dispersion de la lumière par un prisme
Séparation des couleurs d'un faisceau de lumière blanche par un prisme. Cette expérience montre qu'un faisceau blanc est en réalité constitué de faisceaux de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. De D-Kuru sur Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 at.

En physique un faisceau monochrome de lumière est décrit par une onde et la couleur est caractérisée par la longueur d'onde du faisceau. Par exemple, des rayons bleu et rouge auront typiquement une longueur d'onde de 450 et de 650 nanomètres respectivement (1 nanomètre = 1 milliardième de mètre).

Spectre de la lumière visible
Spectre de la lumière donnant la couleur en fonction de la longueur d'onde. Adapté de Army1987 sur Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Propagation de la lumière

En général, la lumière se propage en ligne droite. Différents mécanismes peuvent cependant dévier la lumière:

  • La réflexion sur une surface métallique.

  • La réfraction par changement de milieu de propagation. Un faisceau qui passe de l'air dans l'eau sera dévié. C'est pourquoi une paille plongée dans un verre d'eau apparait brisée.

  • La diffusion par le milieu dans lequel la lumière passe.

Ces mécanismes proviennent tous d'interactions entre la lumière et la matière.


Les molécules de l'atmosphère diffusent la lumière du soleil

C'est le troisième mécanisme ci-dessus qui est à l'origine de la couleur du ciel. Le soleil éclaire l'atmosphère terrestre, de l'air, qui est constitué de molécules de gaz. Quand un faisceau interagit avec une molécule, celle-ci peut "absorber" la lumière puis la "réémettre" dans toutes les directions. Ainsi, même si l'on ne regarde pas dans la direction du soleil, l'œil reçoit des faisceaux qui ont été émis par le soleil puis qui on été diffusés (déviés) par des molécules de l'atmosphère:

Diffusion de la lumière par l'atmosphère terrestre
Diffusion de la lumière par l'atmosphère terrestre. Les molécules de l'air diffusent la lumière du soleil dans toutes les directions. En regardant hors de la direction du soleil, on observe donc de la lumière diffusée par le ciel.

Ceci explique que le ciel est lumineux (il a donc une couleur non noire). En comparaison, le ciel est noir sur la Lune car celle-ci n'a pas d'atmosphère:

Ciel noir sur la Lune
Ciel noir de Lune. NASA, public domain.

Mais pourquoi la couleur du ciel est-elle bleue?


Les molécules de gaz diffusent mieux le bleu que le rouge

Les molécules de l'atmosphère terrestre ne diffusent pas tous les faisceaux de la même manière. Ainsi, les faisceaux de longueur d'onde courte (bleus par exemple) seront mieux diffusés que les faisceaux de grande longueur d'onde (rouge par exemple). Le ciel apparait donc bleuté, alors qu'il serait blanc si tous les faisceaux étaient diffusés de la même manière. Similairement, un nuage de fumée apparait parfois bleuté en raison des particules microscopiques qu'il contient.

La dépendance de la diffusion par des particules (dans une fumée par exemple) en fonction de la longueur d'onde a été étudiée par Tyndall. Il est le premier à avoir suggéré, en 1868, un lien avec la couleur du ciel. On sait désormais que c'est en fait les molécules de l'air qui en sont la cause, plutôt que des poussières ou des petites gouttelettes et le phénomène s'appelle diffusion Rayleigh. Si des poussières ou gouttelettes étaient responsables, le ciel devrait d'ailleurs montrer de nombreuses variations de couleur et d'intensité dues aux variations de concentration en particules.

Atmosphère terrestre vue de l'espace
Le ciel terrestre est également visible depuis l'espace. Sur cette photo, le ciel apparait comme une fine couche bleutée au dessus de la surface de la Terre. NASA, public domain.

Curiosités

La diffusion permet d'expliquer de nombreux phénomènes optiques liés au ciel. En voici quelques-uns.


Pourquoi un coucher de soleil est-il rouge?

Coucher de soleil
Coucher de soleil. Shane, CC BY-SA 2.0.

Lors d'un coucher de soleil, le soleil peut apparaitre rouge. Dans cette configuration d'observation, les faisceaux que l'œil reçoit sont ceux qui n'ont pas été déviés. Comme le bleu est plus diffusé et dévié que le rouge, le soleil apparait plutôt jaune ou rouge. Plus l'épaisseur d'atmosphère à traverser est grande (ce qui est le cas avec un soleil rasant), plus la couleur est rougeoyante.

Observation directe du soleil
Observation directe du soleil. En passant dans l'atmosphère, la lumière bleue est diffusée dans toutes les directions. Le faisceau provenant du soleil, initialement blanc, contient de moins en moins de bleu au fur et à mesure qu'il traverse l'air. Ainsi le soleil apparait plutôt jauni en journée. Dans le cas d'un coucher de soleil, les rayons du soleil sont rasants et l'épaisseur d'air qu'ils traversent est gigantesque. Quasiment plus de bleu n'atteint l'œil: le soleil semble rouge.

Pourquoi le ciel est il moins bleu près de l'horizon?

Le ciel proche de l'horizon est moins bleu que le reste (on voit un dégradé de bleu dans l'image de l'introduction). La raison est que bien que les rayons reçus par l'œil proviennent de la diffusion par une ou plusieurs molécules d'air (afin de changer de direction), le faisceau doit également traverser ensuite (ou avant) une grande épaisseur d'air en ligne droite, ce qui tend à enlever la teinte bleue du faisceau de lumière, comme dans le cas du coucher de soleil. Le ciel est donc moins bleu quand on regarde près de l'horizon, et sa couleur est souvent bleu clair, blanc ou jaune clair.