Pourquoi le ciel est-il bleu et les couchers de soleil rouges ?
Pourquoi le ciel est bleu le jour et rouge au coucher du soleil ? La diffusion de la lumière expliquée simplement, de Newton à Rayleigh.
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C’est une question d’enfant qui cache une belle leçon de physique. Pourquoi le ciel est-il bleu en pleine journée, puis rouge et orangé au coucher du soleil ? La réponse tient en un phénomène : la diffusion de la lumière par l’atmosphère. Comprendre ce mécanisme, c’est saisir comment la lumière du Soleil, en apparence blanche, se décompose et se disperse au-dessus de nos têtes.
Sommaire
La lumière blanche n’est pas si blanche
La lumière du Soleil nous paraît blanche, mais elle est en réalité composée de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Un simple prisme, ou une goutte de pluie, suffit à la décomposer : c’est ainsi que naissent les arcs-en-ciel. Chaque couleur correspond à une longueur d’onde différente. Le rouge et l’orange ont de grandes longueurs d’onde ; le bleu et le violet, des longueurs d’onde plus courtes.
Cette décomposition, étudiée dès le XVIIe siècle par Isaac Newton, est la première clé. La seconde tient à ce qui arrive à cette lumière lorsqu’elle traverse l’atmosphère terrestre, une couche de gaz épais de plusieurs dizaines de kilomètres.
La diffusion, clé du mystère
En traversant l’air, la lumière rencontre d’innombrables molécules de gaz, principalement d’azote et d’oxygène. Ces molécules dévient la lumière dans toutes les directions : c’est ce qu’on appelle la diffusion. Or ce phénomène n’affecte pas toutes les couleurs de la même manière. Les couleurs à courte longueur d’onde, comme le bleu, sont beaucoup plus diffusées que celles à grande longueur d’onde, comme le rouge.
Ce mécanisme porte un nom : la diffusion de Rayleigh, du nom du physicien britannique qui l’a décrite au XIXe siècle. Elle explique à elle seule pourquoi le ciel change de couleur selon la position du Soleil dans le ciel. La lumière bleue est littéralement éparpillée dans toute l’atmosphère.
Pourquoi le ciel est bleu
En pleine journée, lorsque le Soleil est haut, sa lumière traverse une épaisseur d’atmosphère relativement faible. La composante bleue, fortement diffusée par les molécules de l’air, se répand dans toutes les directions du ciel. Où que vous regardiez, cette lumière bleue diffusée vous parvient : le ciel apparaît donc bleu sur toute sa voûte.
On pourrait objecter que le violet, dont la longueur d’onde est encore plus courte, devrait dominer. Deux raisons l’expliquent : le Soleil émet un peu moins de violet que de bleu, et surtout, notre œil est bien plus sensible au bleu qu’au violet. Le résultat perçu par notre cerveau est donc ce bleu caractéristique des belles journées.
Pourquoi les couchers de soleil sont rouges
Au lever et au coucher du soleil, l’astre est bas sur l’horizon. Sa lumière doit alors traverser une épaisseur d’atmosphère bien plus grande pour nous atteindre. Le long de ce trajet allongé, la lumière bleue est diffusée si intensément qu’elle finit par être presque entièrement dispersée avant d’arriver à nos yeux.
Ne subsistent alors que les couleurs à grande longueur d’onde — le rouge et l’orange —, qui traversent l’atmosphère sans être autant déviées. C’est pourquoi le Soleil couchant et le ciel qui l’entoure se parent de teintes chaudes. La présence de poussières ou d’humidité dans l’air peut encore intensifier ces rouges flamboyants, offrant les plus beaux couchers de soleil.
Nuages blancs, ciel noir : les autres cas
Si les molécules d’air diffusent surtout le bleu, les gouttelettes d’eau des nuages, bien plus grosses, diffusent toutes les couleurs de manière égale. C’est pourquoi les nuages nous apparaissent blancs, ou gris quand ils sont épais et laissent passer peu de lumière. La taille des particules change tout.
Quant au ciel nocturne, il est noir pour une raison simple : sans lumière solaire à diffuser, l’atmosphère ne renvoie plus aucune couleur. Sur la Lune, dépourvue d’atmosphère, le ciel reste noir même en plein jour, et le Soleil y brille sur fond d’obscurité : sans air, pas de diffusion, donc pas de ciel bleu.
Vos questions sur la couleur du ciel
Pourquoi le ciel est-il bleu et non violet ?
Le violet a une longueur d’onde encore plus courte que le bleu et devrait être davantage diffusé. Mais le Soleil émet moins de violet, et notre œil y est bien moins sensible qu’au bleu. Notre cerveau perçoit donc un ciel bleu.
Pourquoi le ciel devient-il rouge au coucher du soleil ?
Quand le Soleil est bas, sa lumière traverse une plus grande épaisseur d’atmosphère. Le bleu est presque entièrement diffusé en chemin, ne laissant passer que les rouges et oranges, qui colorent alors le ciel.
Qu’est-ce que la diffusion de Rayleigh ?
C’est le phénomène par lequel les molécules de l’air dévient la lumière, en diffusant beaucoup plus les courtes longueurs d’onde (bleu) que les longues (rouge). Elle explique la couleur bleue du ciel et les teintes des couchers de soleil.
Pourquoi les nuages sont-ils blancs ?
Les gouttelettes d’eau des nuages sont bien plus grosses que les molécules d’air et diffusent toutes les couleurs de façon égale. La somme de toutes ces couleurs redonne du blanc, d’où l’aspect blanc des nuages, ou gris quand ils sont épais.
Pourquoi le ciel est-il noir dans l’espace ?
Dans l’espace ou sur la Lune, il n’y a pas ou peu d’atmosphère pour diffuser la lumière du Soleil. Sans diffusion, aucune couleur n’est renvoyée vers l’observateur : le ciel reste noir, même en présence du Soleil.
La couleur du ciel est-elle la même sur d’autres planètes ?
Non, elle dépend de l’atmosphère. Sur Mars, dont l’air est ténu et chargé de poussières, le ciel de jour tire vers l’ocre, et les couchers de soleil peuvent apparaître bleutés : l’inverse de la Terre.
La physique au-dessus de nos têtes
Derrière la couleur du ciel se cache un principe physique élégant, valable partout dans l’univers : la manière dont la lumière interagit avec la matière qu’elle traverse. La prochaine fois que vous admirerez un ciel bleu ou un coucher de soleil flamboyant, vous saurez que ce spectacle quotidien est une démonstration gratuite de la diffusion de la lumière.
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