La combinaison d’un ciel bleu, sombre au-dessus de la tête, plus clair près de l’horizon, ainsi qu’un Soleil rougi au… soit au lever, soit au coucher du soleil, tout cela peut être expliqué scientifiquement. Voici comment.
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L’une des premières questions qu’un enfant curieux pose souvent sur le monde naturel est « pourquoi le ciel est-il bleu ? ». Pourtant, malgré l’ampleur de cette question, de nombreuses idées fausses et réponses incorrectes circulent – parce qu’il reflète l’océan ; parce que l’oxygène est un gaz de couleur bleue ; parce que la lumière du soleil a une teinte bleue – tandis que la bonne réponse est souvent complètement ignorée. En réalité, la raison pour laquelle le ciel est bleu est due à trois facteurs simples mis ensemble : la lumière du soleil est composée de lumière de plusieurs longueurs d’onde différentes, l’atmosphère terrestre est composée de molécules qui diffusent la lumière de différentes longueurs d’onde dans des proportions différentes, et la sensibilité de nos yeux. Si l’on réunit ces trois éléments, un ciel bleu est inévitable. Voici comment tout cela se met en place.
La lumière de nombreuses longueurs d’onde différentes, qui ne sont pas toutes visibles, est émise par le Soleil. L’atmosphère… affecte différemment chaque longueur d’onde unique, ce qui donne lieu à la suite complète de phénomènes optiques que nous pouvons observer.
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La lumière du Soleil est composée de toutes les différentes couleurs de la lumière… et même plus ! La photosphère de notre Soleil est si chaude, à près de 6 000 K, qu’elle émet un large spectre de lumière, de l’ultraviolet aux plus hautes énergies et dans le visible, du violet jusqu’au rouge, puis profondément dans la partie infrarouge du spectre. La lumière de la plus haute énergie est également celle qui a la plus courte longueur d’onde (et la plus haute fréquence), tandis que la lumière de la plus basse énergie a une plus grande longueur d’onde (et une plus basse fréquence) que celle de la plus haute énergie. Lorsque vous voyez un prisme diviser la lumière du soleil en ses composants individuels, la raison pour laquelle la lumière se divise tout court est due au fait que la lumière rouge a une longueur d’onde plus longue que la lumière bleue.
Animation schématique d’un faisceau continu de lumière dispersé par un prisme. Si vous aviez des yeux ultraviolets… et infrarouges, vous pourriez voir que la lumière ultraviolette se courbe encore plus que la lumière violette/bleue, tandis que la lumière infrarouge resterait moins courbée que la lumière rouge.
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Le fait que la lumière de différentes longueurs d’onde réponde différemment aux interactions avec la matière s’avère extrêmement important et utile dans notre vie quotidienne. Les grands trous de votre micro-ondes laissent entrer et sortir la lumière visible de courte longueur d’onde, mais retiennent la lumière micro-ondes de plus grande longueur d’onde, en la réfléchissant. Les revêtements fins de vos lunettes de soleil reflètent les rayons ultraviolets, violets et bleus, mais laissent passer les rayons verts, jaunes, oranges et rouges de plus grande longueur d’onde. Et les minuscules particules invisibles qui composent notre atmosphère – des molécules comme l’azote, l’oxygène, l’eau, le dioxyde de carbone, ainsi que les atomes d’argon – diffusent toutes la lumière de toutes les longueurs d’onde, mais diffusent beaucoup plus efficacement la lumière de plus courte longueur d’onde.
Lorsque le Soleil est haut dans le ciel, le ciel vers le zénith est d’un bleu beaucoup plus foncé, tandis que le ciel… vers l’horizon est d’une couleur cyan plus claire et plus vive. Cela est dû à la plus grande quantité d’atmosphère, et à la plus grande quantité de lumière diffusée, qui est visible à des angles bas sur le ciel.
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Parce que ces molécules sont toutes beaucoup plus petites que la longueur d’onde de la lumière elle-même, plus la longueur d’onde de la lumière est courte, mieux elle se diffuse. En fait, quantitativement, elle obéit à une loi connue sous le nom de diffusion de Rayleigh, qui nous apprend que la lumière violette, à la limite de la vision humaine en termes de courte longueur d’onde, se diffuse plus de neuf fois plus fréquemment que la lumière rouge, à la limite de la grande longueur d’onde. (L’intensité de diffusion est inversement proportionnelle à la longueur d’onde à la quatrième puissance : I ∝ λ-4). Alors que la lumière du soleil tombe partout du côté jour de l’atmosphère terrestre, les longueurs d’onde les plus rouges ne sont que 11% aussi susceptibles de se diffuser, et donc d’arriver jusqu’à vos yeux, que la lumière violette.
Certains matériaux opalescents, comme celui présenté ici, ont des propriétés de diffusion Rayleigh similaires à… l’atmosphère. Avec une lumière blanche éclairant cette pierre depuis le haut à droite, la pierre elle-même diffuse la lumière bleue, mais permet à la lumière orange/rouge de passer préférentiellement sans être découragée.
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Lorsque le Soleil est haut dans le ciel, c’est pourquoi le ciel entier est bleu. Il apparaît d’un bleu plus vif à mesure que l’on s’éloigne du Soleil, car il y a plus d’atmosphère à voir (et donc plus de lumière bleue) dans ces directions. Quelle que soit la direction dans laquelle vous regardez, vous pouvez voir la lumière diffusée provenant de la lumière du soleil qui frappe la totalité de l’atmosphère entre vos yeux et l’endroit où commence l’espace. Cela a quelques conséquences intéressantes sur la couleur du ciel, en fonction de l’endroit où se trouve le Soleil et de l’endroit où vous regardez.
Depuis de très hautes altitudes dans le ciel avant le lever ou après le coucher du Soleil, on peut voir un spectre de couleurs,…. causé par la diffusion de la lumière du soleil, plusieurs fois, par l’atmosphère.
Domaine public
Si le Soleil est en dessous de l’horizon, toute la lumière doit traverser de grandes quantités d’atmosphère. La lumière la plus bleue est diffusée au loin, dans toutes les directions, tandis que la lumière la plus rouge est beaucoup moins susceptible d’être diffusée, ce qui signifie qu’elle arrive à vos yeux. Si vous vous trouvez un jour dans un avion après le coucher du soleil ou avant son lever, vous pouvez avoir une vue spectaculaire de cet effet.
L’atmosphère de la Terre, vue pendant le coucher du soleil en mai 2010 depuis la Station spatiale internationale.
NASA / ISS
C’est une vue encore meilleure depuis l’espace, d’après les descriptions et aussi les images que les astronautes ont rapportées.
Avec une grande quantité d’atmosphère à traverser, la lumière du Soleil (ou de la Lune) rougit énormément… quand elle est proche de l’horizon. Plus on s’éloigne du Soleil, le ciel devient progressivement plus bleu.
Max Pixel / FreeGreatPicture.com
Lors du lever/coucher du Soleil ou du lever/coucher de la Lune, la lumière provenant du Soleil (ou de la Lune) doit elle-même traverser d’énormes quantités d’atmosphère ; plus elle est proche de l’horizon, plus la lumière doit traverser d’atmosphère. Si la lumière bleue est diffusée dans toutes les directions, la lumière rouge l’est beaucoup moins. Cela signifie qu’à la fois la lumière du disque du Soleil (ou de la Lune) elle-même prend une couleur rougeâtre, mais aussi la lumière provenant du voisinage du Soleil et de la Lune – la lumière qui frappe l’atmosphère et se disperse juste une fois avant d’atteindre nos yeux – est préférentiellement rougie à ce moment-là.
L’éclipse totale, vue à Madras, dans l’Oregon, sur cette photo, a donné lieu non seulement à une spectaculaire…. vue du Soleil, mais de l’horizon entourant tout le monde dans le chemin de la totalité.
Rob Kerr/AFP/Getty Images
Et pendant une éclipse solaire totale, lorsque l’ombre de la Lune tombe sur vous et empêche la lumière directe du Soleil de frapper de grandes sections de l’atmosphère près de vous, l’horizon devient rouge, mais pas ailleurs. La lumière qui frappe l’atmosphère en dehors de la trajectoire de l’éclipse totale est dispersée dans toutes les directions, c’est pourquoi le ciel reste visiblement bleu dans la plupart des endroits. Mais près de l’horizon, cette lumière qui est diffusée dans toutes les directions est très susceptible d’être à nouveau diffusée avant d’atteindre vos yeux. La lumière rouge est la longueur d’onde de lumière la plus susceptible de passer, dépassant finalement la lumière bleue, plus efficacement diffusée.
La diffusion Rayleigh affecte la lumière bleue plus sévèrement que la rouge, mais parmi les longueurs d’onde visibles,… la lumière violette est la plus diffusée. Ce n’est qu’en raison de la sensibilité de nos yeux que le ciel apparaît bleu et non violet.
Vol de dragons / KES47 de Wikimedia Commons
Donc, tout cela étant dit, vous avez probablement une autre question : si la lumière de plus courte longueur d’onde est diffusée plus efficacement, pourquoi le ciel n’apparaît-il pas violet ? En effet, il y a effectivement une plus grande quantité de lumière violette provenant de l’atmosphère que de lumière bleue, mais il y a aussi un mélange des autres couleurs. Comme vos yeux comportent trois types de cônes (pour détecter les couleurs), ainsi que des bâtonnets monochromatiques, ce sont les signaux des quatre qui doivent être interprétés par votre cerveau lorsqu’il s’agit d’attribuer une couleur.
La réponse à la lumière de l’œil humain, normalisée, en fonction des trois types de cônes et (ligne pointillée…. ligne) les bâtonnets monochromatiques.
George Wald / Hektoen International Journal
Chaque type de cône, plus les bâtonnets, sont sensibles à la lumière de différentes longueurs d’onde, mais tous sont stimulés à un certain degré par le ciel. Nos yeux réagissent plus fortement aux longueurs d’onde de la lumière bleue, cyan et verte qu’au violet. Même s’il y a plus de lumière violette, ce n’est pas suffisant pour surmonter le fort signal bleu que notre cerveau délivre.
L’attraction gravitationnelle des gaz de notre atmosphère provoque une pression de surface importante, donnant… naissance à des océans liquides. Crédit image : .
NASA Goddard Space Flight Center Image de Reto Stöckli, Terra Satellite / Instrument MODIS
C’est cette combinaison de trois choses ensemble :
- le fait que la lumière du soleil est composée de lumière de nombreuses longueurs d’onde différentes,
- que les particules atmosphériques sont très petites et diffusent la lumière de plus courte longueur d’onde beaucoup plus efficacement que la lumière de plus grande longueur d’onde,
- et que nos yeux ont les réponses qu’ils ont aux différentes couleurs,
qui fait que le ciel apparaît bleu aux humains. Si nous pouvions voir dans l’ultraviolet de manière très efficace, le ciel apparaîtrait probablement plus violet et ultraviolet ; si nous n’avions que deux types de cônes (comme les chiens), nous pourrions voir le ciel bleu pendant la journée, mais pas les rouges, oranges et jaunes du coucher du soleil. Mais ne vous laissez pas berner : lorsque vous regardez la Terre depuis l’espace, elle est bleue aussi, mais l’atmosphère n’y est pour rien !
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