Sciences · Physique
Pourquoi le ciel est-il bleu ?
Le ciel est bleu parce que les molécules de l’air diffusent beaucoup plus la lumière bleue que la lumière rouge : c’est la diffusion de Rayleigh. Cette lumière bleue, renvoyée dans toutes les directions, nous parvient de tout le ciel.
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La lumière du Soleil est blanche : elle contient toutes les couleurs du spectre visible. Pourtant, le ciel de jour est bleu, les couchers de soleil sont rouges et orangés, les nuages sont blancs ou gris, et sur la Lune, sans atmosphère, le ciel est noir même en plein jour. Toutes ces observations s’expliquent par la façon dont l’air diffuse la lumière.
La diffusion par les molécules de l’air
Quand la lumière traverse l'atmosphère, elle rencontre des milliards de molécules d’azote et d’oxygène. Chaque molécule, sous l’effet du champ électrique de l’onde lumineuse, se met à osciller et réémet de la lumière dans toutes les directions : c’est la diffusion.
Ce phénomène dépend fortement de la longueur d’onde. Comme son intensité varie en 1 / λ⁴ :
| Couleur | Longueur d’onde approximative | Diffusion relative (rouge = 1) |
|---|---|---|
| Rouge | 700 nm | 1 |
| Jaune | 580 nm | environ 2,1 |
| Vert | 530 nm | environ 3 |
| Bleu | 450 nm | environ 5,9 |
| Violet | 400 nm | environ 9,4 |
La lumière bleue est donc diffusée environ cinq à six fois plus que la rouge. Où que l’on regarde dans le ciel, loin du Soleil, on reçoit cette lumière diffusée, dominée par les courtes longueurs d’onde : le ciel paraît bleu.
Le phénomène a été expliqué quantitativement par le physicien britannique Lord Rayleigh (John William Strutt) en 1871 ; John Tyndall avait étudié peu avant la diffusion par de petites particules en laboratoire.
Pourquoi pas violet ?
Le violet est encore plus diffusé que le bleu. Si le ciel ne paraît pas violet, c’est pour trois raisons :
- le spectre solaire contient moins de violet que de bleu, et une partie de l’ultraviolet et du violet est absorbée en altitude, notamment par la couche d’ozone ;
- notre œil est beaucoup moins sensible au violet qu’au bleu ;
- la lumière diffusée contient un mélange de toutes les couleurs, dominé par les courtes longueurs d’onde ; ce mélange, interprété par nos trois types de cônes, est perçu comme un bleu clair.
Pourquoi les couchers de soleil sont rouges
Le soir et le matin, le Soleil est bas sur l’horizon : sa lumière traverse une épaisseur d’atmosphère beaucoup plus grande qu’à midi, jusqu’à près de 40 fois plus au ras de l’horizon. Sur ce long trajet, la lumière bleue est diffusée hors du faisceau, et il ne reste plus, dans la direction du Soleil, que les longueurs d’onde longues : jaune, orange, rouge.
Les poussières, les fumées d’incendie et les cendres volcaniques peuvent rendre les couchers de soleil encore plus rouges et plus spectaculaires. Après l’éruption du Krakatoa en 1883, des couchers de soleil d’un rouge intense ont été observés dans le monde entier pendant des mois.
Pourquoi les nuages sont blancs
Les gouttelettes d’eau des nuages sont beaucoup plus grandes que les molécules d’air, de l’ordre de 10 micromètres, bien plus que la longueur d’onde de la lumière. Elles diffusent toutes les couleurs à peu près de la même façon : c’est la diffusion de Mie. Le mélange de toutes les couleurs donne du blanc. Un nuage épais paraît gris ou sombre parce qu’il arrête une grande partie de la lumière qui le traverse (voir types de nuages).
Pour la même raison, la brume, le brouillard et la pollution donnent au ciel un aspect blanchâtre, et le lait est blanc.
Pourquoi le ciel est plus pâle près de l’horizon
Vers l’horizon, la lumière diffusée vers nous a traversé une plus grande épaisseur d’air et a été diffusée plusieurs fois, ce qui mélange les couleurs. S’y ajoutent les poussières et aérosols, plus abondants à basse altitude. Le ciel y est donc plus blanc qu’au zénith, où il est d’un bleu plus profond.
Le ciel ailleurs dans le système solaire
| Lieu | Couleur du ciel de jour | Raison |
|---|---|---|
| Terre | bleu | diffusion de Rayleigh par l’azote et l’oxygène |
| Lune | noir | pas d’atmosphère, pas de diffusion |
| Mars | ocre ou rosé le jour, bleuté au coucher du soleil | poussières fines en suspension (voir Mars) |
| Haute atmosphère terrestre (au-delà de 30 à 40 km) | bleu de plus en plus sombre puis noir | l’air devient trop rare |
Les couchers de soleil martiens, photographiés par les rovers de la NASA, sont bleutés : les poussières de Mars diffusent préférentiellement la lumière bleue vers l’avant, dans la direction du Soleil.
La lumière du ciel est polarisée
La lumière diffusée par les molécules est partiellement polarisée, surtout dans les directions situées à 90° du Soleil. Un filtre polarisant permet d’assombrir le bleu du ciel en photographie, et de nombreux insectes, comme les abeilles, utilisent ce motif de polarisation pour s’orienter (voir polarisation de la lumière).
Questions fréquentes
Pourquoi le ciel est-il bleu en une phrase ?
Parce que les molécules de l’air diffusent dans toutes les directions bien plus de lumière bleue que de lumière rouge, si bien que le ciel nous renvoie surtout du bleu.
Le ciel est-il bleu parce qu’il reflète la mer ?
Non. C’est une idée reçue. La couleur du ciel vient de la diffusion de la lumière par l’air, et c’est plutôt la mer qui reflète en partie le ciel, l’eau absorbant aussi elle-même un peu de rouge.
Pourquoi le Soleil paraît-il jaune ?
Une petite partie de la lumière bleue est diffusée hors du faisceau direct : le Soleil vu depuis le sol paraît légèrement plus jaune qu’il ne l’est. Vu de l’espace, il est blanc.
Pourquoi le ciel est-il noir la nuit ?
Parce qu’il n’y a plus de lumière solaire à diffuser au-dessus de nous. Le ciel nocturne noir pose d’ailleurs une question cosmologique célèbre, le paradoxe d’Olbers, liée à l’âge fini de l’Univers.