Pourquoi le ciel est-il bleu ? Cette question d’enfant cache une réalité physique fascinante : la diffusion Rayleigh, un phénomène qui explique aussi la couleur rouge des couchers de soleil. Découvrons comment la lumière du Soleil interagit avec l’atmosphère terrestre pour produire la teinte azur familière au-dessus de nos têtes.
La lumière blanche du Soleil n’est pas vraiment blanche
Lorsque la lumière solaire pénètre dans l’atmosphère, elle apparaît blanche à l’œil humain. En réalité, cette lumière est composée de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel : violet, bleu, vert, jaune, orange et rouge. Chacune de ces couleurs correspond à une longueur d’onde différente. Le violet et le bleu ont des longueurs d’onde courtes, autour de 400 à 470 nanomètres. Le rouge possède des longueurs d’onde longues, environ 700 nanomètres.
La diffusion Rayleigh, mécanisme central
L’atmosphère terrestre est constituée principalement d’azote (78 %) et d’oxygène (21 %). Lorsque les rayons solaires traversent ce mélange, ils rencontrent les molécules de gaz et sont diffusés dans toutes les directions. Le physicien britannique John William Strutt, plus connu sous le nom de Lord Rayleigh, a démontré en 1871 que cette diffusion est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d’onde.
Concrètement, cela signifie que les courtes longueurs d’onde sont diffusées beaucoup plus fortement que les longues. La lumière bleue est diffusée environ neuf fois plus que la lumière rouge. C’est pourquoi, lorsque nous regardons le ciel dans une direction quelconque (autre que le Soleil lui-même), nous voyons surtout la lumière bleue qui a été diffusée par les molécules atmosphériques.
Pourquoi pas violet alors ?
Si la diffusion favorise les courtes longueurs d’onde, on pourrait s’attendre à un ciel violet. Plusieurs raisons expliquent l’absence de cette teinte. D’abord, le Soleil émet moins de lumière violette que bleue. Ensuite, l’œil humain est nettement moins sensible au violet qu’au bleu : nos cônes rétiniens captent mieux les longueurs d’onde autour de 470 nanomètres. Enfin, une partie de la lumière violette est absorbée par la haute atmosphère avant d’atteindre nos yeux.
Et au coucher du Soleil ?
Au lever et au coucher du Soleil, la lumière traverse une épaisseur d’atmosphère beaucoup plus importante avant d’atteindre l’observateur. Pendant ce trajet allongé, les composantes bleues et vertes sont presque toutes diffusées sur les côtés. Seules les longueurs d’onde rouges et orangées parviennent à traverser et à colorer l’horizon. Voilà pourquoi le ciel se teinte de rouge, d’orange et de rose lorsque l’astre touche l’horizon.
Sur d’autres planètes, d’autres couleurs
La couleur du ciel dépend de la composition de l’atmosphère. Sur Mars, où l’air est très ténu et chargé de poussières fines riches en oxyde de fer, le ciel apparaît rosé ou ocre la journée, et bleuté autour du Soleil au crépuscule. Sur Titan, lune de Saturne, l’atmosphère orangée est due à des hydrocarbures complexes. Si la Terre n’avait pas d’atmosphère, comme la Lune, le ciel serait noir même en plein jour.
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