Pourquoi le ciel est-il bleu?

S'il n'y a pas de nuages le ciel est bleu parce que les molécules de l'air diffusent la lumière bleue du ciel plus qu'elles ne diffusent la lumière rouge. Quand nous regardons le soleil à son lever nous voyons les couleurs orange et rouge parce que la lumière bleue a été diffusée dans des directions autres que celle qui pointe vers nos yeux.

La lumière blanche du soleil est un mélange de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Ceci a été montré par Isaac Newton, qui utilisa un prisme pour séparer les différentes couleurs ce qui forma un spectre. Les couleurs de la lumière sont caractérisées par leur longueur d'onde, propre à chacune. La partie visible du spectre va du rouge (de longueur d'onde environ 720 nm) au violet (de longueur d'onde environ 380 nm), en passant par l'orange, le jaune, le vert, le bleu et l'indigo. Les trois différents types de récepteurs des couleurs de la rétine de l'oeil sont fortement sensibles aux longueurs d'onde correspondant respectivement: au rouge, au vert, et au bleu, ce qui nous permet de voir en couleurs.

L'effet Tyndall

Le premier a avoir commencé à expliquer correctement la couleur bleue du ciel a été John Tyndall, en 1859. Il découvrit que quand la lumière passe à travers un liquide clair mais contenant des petites particules en suspension, les longueurs d'ondes plus courtes comme le bleu sont plus diffusées que le rouge. ceci peut être montre en faisant passer un faisceau de lumière blanche à travers une longue cuve remplie d'eau à laquelle on a mélangé un peu de lait ou de soupe. Sur les cotés le faisceau peut être vu par la lumière bleue qui est diffusée, mais la lumière qu'on peut voir sortir directement à la fin de la cuve, elle, tend vers le rouge après avoir parcouru la totalité de la cuve. On peut aussi montrer que la lumière diffusée est polarisée, en utilisant un polariseur; de la même manière le ciel apparaît d'un bleu plus sombre quand on regarde à travers des lunettes de soleil polarisantes.

Le nom correct de cet effet est: "l'effet Tyndall" mais il plus connu par les physiciens sous le nom de "diffusion Rayleigh" du nom de Lord Rayleigh qui l'étudia plus en détail quelques années plus tard. Il montra que la quantité de lumière diffusée est inversement proportionnelle à la puissance quatrième de la longueur d'onde si les particules diffusantes sont suffisamment petites. Il s'ensuit que la lumière bleue est plus diffusée que la lumière rouge d'un facteur (700/400)⁴ ~= 10.

Poussières ou molécules?

Tyndall et Rayleigh pensaient que la couleur bleue du ciel était due aux petites particules de poussière et aux gouttelettes d'eau de l'atmosphère. Même aujourd'hui des gens disent parfois que c'est le cas, ce qui est incorrect. En effet plus tard les savants réalisèrent que si c'était le cas, on observerait beaucoup plus de variations dans les couleurs du ciel avec les conditions d'humidité ou de brume que dans la réalité; d'où ils supposèrent, avec raison, que les molécules d'oxygène et d'azote sont suffisantes pour diffuser autant la lumière. Le problème a été résolu en 1911 par Einstein, qui calcula la formule détaillée donnant la diffusion de la lumière par les molécules, formule qui concordait avec les mesures expérimentales. Il était même capable d'utiliser le calcul pour vérifier la valeur du nombre d'Avogadro quand celui-ci fut mesuré expérimentalement. Les molécules sont capables de diffuser la lumière parce que le champ électromagnétique de la lumière induit un moment dipolaire électrique.

Pourquoi pas violet?

Si les longueurs d'ondes plus courtes sont plus diffusées on est face à un problème: pourquoi le ciel n'apparaît pas violet, couleur qui est associée à la plus courte longueur d'onde visible. En fait le spectre d'émission du soleil n'est pas uniforme sur la gamme des longueurs d'onde, et de plus la lumière est absorbée par la haute atmosphère; en conséquence il y a moins de violet dans la lumière. De plus l'oeil est moins sensible à ces couleurs. Ceci est une partie de la réponse, mais un arc-en-ciel montre qu'il reste une part significative de lumière indigo et violet au delà du bleu. Le reste de la réponse est contenu dans le mécanisme de la vision. Nous avons 3 types de récepteurs de la couleur (les cônes), dans notre rétine. On les nomme bleu, vert, rouge parce qu'ils répondent le mieux à la lumière correspondant à ces longueurs d'onde respectives. Ces récepteurs sont stimulés à des degrés divers par la lumière, et notre système visuel construit alors les couleurs que nous voyons.

courbes de réponse pour les trois types de cônes de l'oeil humain

Quand on regarde le ciel, les cônes "rouge" sont excités par le peu de lumière rouge diffusée, et aussi, de moindre manière, aux longueurs d'onde orange et jaune. Les cônes "vert" sont excités par le jaune et plus majoritairement par les longueurs d'onde vert et vert-bleu, très diffusées. Les cônes "bleu" sont eux excités par les couleurs aux alentours des longueurs d'ondes du bleu, qui subissent fortement la diffusion. S'il n'y avait ni indigo ni violet dans le spectre le ciel apparaîtrait bleu avec une légère teinte verte. Cependant, les rayonnements indigo et violet, qui subissent le plus la diffusion, excitent un peu les cônes "rouge" en plus d'exciter les cônes "bleu", ce qui fait que ces couleurs apparaissent comme du bleu avec une composante rouge. L'effet global est que les cônes "vert" et "rouge" sont excités de façon à peu près équivalente par la lumière du ciel alors que les cônes "bleu" sont excités plus fortement. Le résultat de cette excitation engendre la sensation de couleur bleu pâle du ciel. Le fait que notre vision est conçue pour percevoir la couleur du ciel comme une teinte pure n'est sans doute pas une coïncidence. Nous avons évolué de façon à nous adapter à notre environnement et la capacité à séparer les couleurs naturelles plus nettement est probablement un avantage pour survivre.

Un coucher de soleil multicolore au dessus de la "Firth of Forth" en Ecosse.

Les couchers de soleil

Quand l'air est pur le coucher de soleil apparaît jaune parce que la lumière du soleil a parcouru une grande distance à travers l'air et une partie de la lumière bleue a été diffusée ailleurs. Si l'air est pollué avec des petites particules, naturellement ou non, le coucher de soleil apparaît plus rouge. Les couchers de soleil au dessus de la mer peuvent aussi apparaître orange à cause des particules de sel dans l'air qui sont des diffuseurs par effet Tyndall efficaces. Le ciel autour du soleil est perçu plus rouge comme la lumière venant directement du soleil. Ceci parce que toute la lumière est diffusée relativement bien selon de petits angles, mais la lumière bleue a tendance ensuite à être diffusée deux fois ou plus sur les longue distances, ce qui laisse les couleurs jaune, orange et rouge.

Une brume bleue dans les Vosges, en France.

La brume bleue et la lune bleue

Les nuages et la brume épaisse apparaissent blancs parce qu'ils sont constitués de particules plus larges que les longueurs d'onde de la lumière et diffusent toutes les longueurs d'onde de la même façon (diffusion Mie). Quelquefois il se peut qu'il y ait d'autres particules, beaucoup plus petites, dans l'atmosphère. Il y a des régions montagneuses connues pour leur brume bleue. Les aérosols et les terpènes créés par la végétation réagissent avec l'ozone de l'atmosphère pour former des petites particules de l'ordre de 200 nm sur lesquelles est diffusée la lumière bleue. Un incendie de forêt ou une éruption volcanique peut occasionnellement emplir l'atmosphère de fines particules de 500 à 800 nm, qui ont la bonne taille pour diffuser la lumière rouge. Ceci donne le phénomène opposé à l'habituel effet Tyndall et pourrait donner à la Lune une teinte bleutée parce que la lumière rouge a été diffusée ailleurs. Ceci est très rare, "une fois toutes les trente-six du mois".

L'opalescence

L'effet Tyndall est responsable de plusieurs autres colorations bleutées dans la nature, comme les yeux bleus, l'opalescence de quelques pierres gemmes, et de la couleur de l'aile du geai bleu. Les couleurs peuvent varier en fonction de la taille des particules diffusantes. Quand un fluide est proche de son point critique de minuscules variations de densité sont responsable d'une coloration bleue connue sous le nom d'opalescence critique. Les gens ont aussi copié ces effets naturels en fabriquant des verres décoratifs qui contiennent des particules pour leur donner un chatoiement bleuté. Mais toutes les colorations bleues dans la nature ne sont pas dues à la diffusion. La lumière sous l'eau est bleue parce que l'eau absorbe plus les grandes longueurs d'ondes de la lumière sur les distances supérieures à environ 20 mètres. Quand on regarde la mer depuis la plage elle apparaît bleue parce qu'elle reflète le ciel, bien sûr. Certains oiseaux ou mouches tiennent leur coloration bleue d'effets de diffraction.

Pourquoi le ciel de Mars est-il rouge?

Les images envoyées par les sondes Viking en 1977 et par Pathfinder en 1997 avaient montré qu'à la surface de Mars la ciel est vu rouge. Ceci était dû à des poussières riches en fer dispersées dans l'atmosphère par des orages violents qui surviennent de temps en temps sur Mars. La couleur du ciel de Mars change en fonction des conditions météorologiques. Il devrait être bleu s'il n'y a pas eu d'orage récemment mais devrait être plus sombre que le ciel vu à la même heure sur Terre parce que l'atmosphère de Mars est plus ténue.