Pourquoi le ciel est bleu (et rouge au coucher du soleil)

Le ciel est bleu parce que l'air diffuse la lumière bleue du Soleil beaucoup plus que la lumière rouge. La lumière du Soleil est blanche, c'est-à-dire un mélange de toutes les couleurs. En traversant l'atmosphère, elle rencontre des milliards de molécules d'azote et d'oxygène qui en renvoient une petite partie dans toutes les directions. Ce renvoi, appelé diffusion, touche bien plus les couleurs à courte longueur d'onde, le bleu et le violet, que le rouge. Résultat : où que vous regardiez dans le ciel, une partie de ce bleu diffusé arrive dans vos yeux.

Le soir, c'est l'inverse. Le Soleil est bas, sa lumière traverse une couche d'air bien plus épaisse avant de vous atteindre. Le bleu est dispersé en route, et ce qui arrive en ligne droite est surtout jaune, orange et rouge.

Voilà la réponse courte. La suite explique pourquoi le bleu est favorisé, d'où vient le chiffre, et pourquoi le ciel n'est pas violet alors que le calcul le voudrait. C'est un sujet d'optique, comme beaucoup dans notre rubrique Physique et chimie du quotidien.

La lumière blanche est un mélange

Des couleurs, des longueurs d'onde

La lumière est une onde. Chaque couleur correspond à une longueur d'onde : autour de 400 nanomètres pour le violet, 450 pour le bleu, 550 pour le vert, 700 pour le rouge. Le nanomètre vaut un milliardième de mètre.

La lumière du Soleil contient tout ce spectre. Notre œil la voit blanche parce qu'il reçoit tout en même temps.

On peut séparer les couleurs

Un prisme ou des gouttes de pluie séparent ces couleurs : c'est le principe de l'arc-en-ciel, expliqué dans notre article sur la formation de l'arc-en-ciel. Là, c'est la réfraction qui joue : la lumière est déviée différemment selon sa couleur. Le ciel bleu repose sur un autre phénomène, la diffusion.

La diffusion de Rayleigh

Ce qui se passe dans une molécule

Quand une onde lumineuse frappe une molécule d'azote ou d'oxygène, elle fait osciller les charges électriques de la molécule. Une charge qui oscille réémet à son tour de la lumière, de la même couleur, mais dans toutes les directions. La molécule agit comme une minuscule antenne qui capte et renvoie.

Cette réémission est plus forte quand l'oscillation est rapide. Or la lumière bleue oscille plus vite que la rouge, puisque sa longueur d'onde est plus courte.

Une loi en puissance 4

Le physicien britannique John William Strutt, Lord Rayleigh, a mis ce phénomène en équations en 1871, dans une série d'articles du Philosophical Magazine sur la lumière du ciel, sa polarisation et sa couleur. Avant lui, l'Irlandais John Tyndall avait montré en laboratoire qu'un gaz chargé de fines particules diffuse une lumière bleutée, sans parvenir à expliquer pourquoi le bleu l'emportait.

Le résultat de Rayleigh tient en une ligne : l'intensité diffusée varie comme l'inverse de la longueur d'onde à la puissance 4. Diviser la longueur d'onde par deux multiplie la diffusion par seize.

Cette loi vaut pour des particules bien plus petites que la longueur d'onde, ce qui est le cas des molécules de l'air.

Le calcul, couleur par couleur

Je fais souvent faire ce calcul à mes élèves, parce qu'il montre d'un coup l'ampleur de l'effet. On prend le rouge à 700 nm comme référence et on calcule (700 / λ)⁴ pour chaque couleur.

Le bleu est donc diffusé environ six fois plus que le rouge. C'est cette lumière bleue, éparpillée dans tout le ciel, qui colore la voûte au-dessus de nos têtes. Météo-France résume le phénomène de la même façon : ce sont les molécules de l'atmosphère qui diffusent la lumière solaire, et les courtes longueurs d'onde le sont davantage.

Pourquoi pas violet ?

Le tableau pose une vraie question. Si le violet est encore plus diffusé que le bleu, pourquoi le ciel n'est-il pas violet ?

Trois raisons se cumulent.

La première tient au Soleil. Sa lumière n'est pas répartie à égalité entre les couleurs : il émet moins de violet que de bleu, et son maximum se situe vers le vert. L'ultraviolet, juste au-delà, est en grande partie absorbé par l'ozone, haut dans l'atmosphère.

La deuxième tient à l'œil. Notre vision de jour est la plus sensible vers 555 nm, dans le vert-jaune ; c'est la valeur retenue par la courbe de sensibilité normalisée par la Commission internationale de l'éclairage. Dans le violet, cette sensibilité chute fortement.

La troisième tient à la façon dont le cerveau mélange les signaux. Le ciel ne nous envoie pas une couleur pure mais un mélange dominé par le bleu et le violet, avec un peu de vert. Nos trois types de cônes combinent ce mélange en une teinte que nous appelons bleu ciel, légèrement délavée.

Le ciel est donc bleu pour la physique de l'air et pour la physiologie de l'œil. Un appareil qui mesurerait le spectre trouverait du violet ; nous, nous voyons du bleu.

Le coucher de soleil rouge

Une question d'épaisseur d'air

À midi, la lumière du Soleil traverse l'atmosphère presque à la verticale, par le chemin le plus court. Le bleu diffusé colore le ciel, et le Soleil lui-même paraît blanc ou jaune pâle.

Quand le Soleil descend sur l'horizon, sa lumière arrive de biais et traverse une épaisseur d'air bien plus grande. Sur ce long trajet, le bleu est diffusé hors du faisceau, puis le vert. Ce qui arrive en ligne droite jusqu'à vous est appauvri en courtes longueurs d'onde : jaune, orange, rouge. Le disque solaire rougit, et le ciel autour de lui aussi.

C'est la même loi de Rayleigh, vue de l'autre côté : le ciel bleu, c'est la lumière diffusée ; le soleil rouge, c'est la lumière qui reste.

Poussières, nuages et pollution

Les couleurs d'un coucher de soleil varient d'un soir à l'autre. Les poussières, les fumées, les gouttelettes et les aérosols en suspension modifient la diffusion. Des particules plus grosses que les molécules diffusent toutes les couleurs de façon plus égale : on parle de diffusion de Mie. Selon leur nombre et leur taille, le ciel du soir sera plus orangé, plus rose ou plus terne. Les nuages bas éclairés par en dessous, eux, prennent la teinte de la lumière qu'ils reçoivent.

Ce que la diffusion explique d'autre

Les nuages blancs

Les gouttelettes d'un nuage mesurent de l'ordre du centième de millimètre, bien plus que la longueur d'onde de la lumière. Elles diffusent toutes les couleurs à peu près autant. Le mélange redevient blanc, ou gris quand le nuage est épais et laisse passer peu de lumière. Pour reconnaître les différents nuages, voyez notre article sur les types de nuages.

Le ciel pâle à l'horizon

En plein jour, le ciel est d'un bleu plus profond au zénith qu'à l'horizon. Vers l'horizon, on regarde à travers beaucoup plus d'air ; la lumière y est diffusée plusieurs fois, les couleurs se mélangent, et le bleu tire vers le blanc.

Le ciel noir de la Lune

La Lune n'a pas d'atmosphère. Sans molécules pour diffuser la lumière, son ciel reste noir même quand le Soleil brille. Les photos des missions Apollo le montrent : sol éclairé, ciel noir.

Une loi, un calcul, plusieurs vérifications

Ce qui me plaît dans cette question, c'est qu'elle se règle avec une seule loi et un calcul de quatre lignes. On observe (le ciel est bleu, le soleil couchant rouge), on propose un mécanisme (la diffusion par les molécules), on en tire une prédiction chiffrée (le bleu six fois plus diffusé que le rouge), et on la confronte à d'autres observations : nuages blancs, ciel lunaire noir, ciel du soir variable avec les poussières. C'est le schéma décrit dans notre article sur la démarche scientifique.

Et le calcul a même révélé un piège, le violet, que seule la biologie de l'œil permet de lever. La prochaine fois que le ciel vire à l'orange en fin de journée, vous saurez que le bleu qui manque a été diffusé en chemin, au-dessus de régions plus à l'ouest où le Soleil est encore haut.