Toutes les couleurs du ciel

Catherine Simand

Marie-Christine Artru

Catherine Simand

05 - 04 - 2007

Résumé

Pourquoi le ciel est-il bleu ? et d'autres questions sur les couleurs du ciel...


Pourquoi le ciel est-il bleu ? Et les nuages blancs... ou gris ? Et d'où vient la couleur orangée du soleil couchant ?

La couleur bleue est due à la diffusion de la lumière solaire par l'atmosphère

Le jour, par beau temps, le ciel apparaît bleu, car il diffuse la lumière du soleil. Les gaz de l'atmosphère (essentiellement diazote et dioxygène) sont transparents pour la lumière visible (les UV sont heureusement absorbés). Les interactions rayonnement-molécule se font sans échauffement du gaz. La diffusion ( scattering en anglais) est un processus élastique dont l'effet principal est de dévier les rayons lumineux. Dans le cas des molécules de taille très inférieure à la longueur d'onde, la proportion de rayonnement dévié augmente fortement si la longueur d'onde diminue (loi de Rayleigh, section efficace proportionnelle à 1/λ4). Le rayonnement de courte longueur d'onde (bleu) est environ 6 fois plus diffusé que celui de grande longueur d'onde (rouge). Cette propriété se retrouve à l'échelle macroscopique pour le gaz atmosphérique, car c'est un milieu dilué où les molécules sont aléatoirement distribuées.

Une modélisation complète de la diffusion doit tenir compte de l'addition des amplitudes des rayonnements diffusés par des particules voisines, selon leur répartition et leur densité. Dans le cas d'un milieu condensé homogène comme l'eau, on retrouve la propagation rectiligne avec un indice de réfraction.

La couleur bleue du ciel, observée dans une direction autre que celle du soleil vient donc d'une succession de diffusions de la lumière solaire par des molécules. En haute altitude, le ciel apparaît d'un bleu plus foncé car le milieu diffuseur traversé est moins épais. Hors de l'atmosphère terrestre, le fond de ciel est noir, car il n'y a plus de diffusion.

La lumière bleue du ciel possède la propriété d'être partiellement polarisée, ce qui est facilement observable à l'aide d'un polariseur. L'effet est le plus net quand on observe le ciel dans une direction perpendiculaire à celle du soleil. On peut vérifier que la direction de polarisation éteinte dans le rayonnement diffusé est celle qui correspond à la direction de propagation du rayon solaire atteignant le milieu diffuseur.

Lorsque le soleil est bas sur l'horizon, son rayonnement traverse une grande épaisseur d'atmosphère et subit un grand nombre de diffusions, ce qui le prive d'une grande partie de sa composante bleue. Alors, le soleil nous paraît orangé et même parfois rouge.

Les nuages, le brouillard, la neige diffusent aussi la lumière, alors que l'eau liquide et la glace sont transparentes. C'est la fine division de l'eau, sous forme de petites gouttes ou de cristaux de neige qui rend ces milieux diffusants. La couleur est blanche (et non bleue) parce que le processus de diffusion est différent pour des particules de taille supérieure à la longueur d'onde du rayonnement. Les particules des brouillards ou nuages ont un rayon de l'ordre de 1 à 10 μm. La diffusion est alors expliquée par la théorie de Mie, qui tient compte de la taille et de la forme de la particule diffusante.

Lorsque les gouttes d'eau sont encore plus grosses, leur comportement optique suit les lois de l'optique géométrique (explication de « l'arc-en-ciel »). Les processus de diffusion, diffraction et réfraction interviennent chacun selon que la lumière interagit avec des obstacles de dimension très petite, similaire ou très grande par rapport à la longueur d'onde.

Expérience du « coucher de soleil »

Une expérience classique montre l'effet de la diffusion par les particules en suspension dans une solution colloïdale de soufre. La description détaillée de cette « expérience du coucher de soleil » est donnée sur le site Planet-Terre. Un faisceau de lumière blanche traverse une cuve dans laquelle une réaction chimique forme du soufre en suspension. La lumière diffusée par la solution, observée perpendiculairement au faisceau incident, est bleutée. On observe aussi la couleur de la lumière sortant après traversée de la cuve : appauvrie en lumière bleue, elle apparaît orangée.

Diffusion par les surfaces

Beaucoup d'autres objets diffusent la lumière : les peintures, le papier par exemple (lire, c'est regarder de la lumière diffusée). La diffusion est responsable de l'apparence des surfaces, de l'aspect mat, brillant ou satiné, tandis que l'absorption définit la couleur de base. Pour comprendre comment se construit la couleur d'un objet, nous vous proposons sur notre site l'article intitulé « La couleur ».

Bibliographie

  • Un très bel ouvrage : Traité des couleurs , de Liberto Zuppiroli, et Marie-Noëlle Bussac, superbement illustré par les photographies de Christiane Grimm, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2001. Très complet, structuré en deux parties qui se répondent, une intitulée Les apports de la philosophie naturelle , qui traite notamment des aspects historiques et physiologiques de la couleur, et une autre intitulée L'impact des équations , qui décrit le point de vue de la physique sur ces questions.
  • Un classique : Le cours de physique de Feynman , Mécanique 2, de Feynman, Leighton et Sands, InterEditions, particulièrement le chap. 32.
  • Pour des éléments de calculs concernant le champ électromagnétique rayonné par un dipôle oscillant : tous les livres de premier cycle universitaire traitant de l'électromagnétisme. Citons par exemple Electromagnétisme - Fondements et applications , de J.-P. Pérez, R. Carles et R. Fleckinger, Masson, 1996.
  • Sur le site de Planet-Terre, un article intitulé « Interactions du rayonnement solaire avec l'atmosphère », par Vincent Daniel.
  • eduscol.gif
  • ens-lyon.gif