Le bleu du ciel

Une question à laquelle on trouve facilement la réponse sur wikipedia, mais encore faut-il se la poser: pourquoi le ciel est-il bleu ? C'est le genre de question devant lesquelles j'étais complètement émerveillé étant enfant, et j'ai eu droit successivement aux réponses suivantes: parce que c'est comme ça / de quelle couleur voudrais-tu qu'il soit ? / c'est vraiment une question stupide. Une fois arrivé au collège, n'ayant pas cessé de poser des questions, j'ai enfin eu un début d'explication scientifique, du moins il y avait un peu de physique dedans: parce que la Terre est recouverte aux trois quarts d'océans, que les océans sont bleus, et que la couleur de l'océan se réfléchit dans le ciel. Oui mais... ça ne fait que reporter le problème: pourquoi les océans sont-il bleus ? Pourquoi la couleur de l'eau devrait-elle se "réfléchir" dans le ciel, et pas l'inverse ? Et si on y regarde bien, les océans sont-il vraiment bleus ? Je sais, les couleurs ne sont pas trop mon fort (je suis daltonien) mais enfin il me semble bien que les océans, c'est plutôt vert. En tout cas assez sombre. Il n'y a qu'aux îles Fidji (ou dans une piscine) qu'on trouve de l'eau tellement transparente qu'on peut la voir bleue. Bref, tout ça n'est pas très convainquant.

Bien plus tard, j'ai enfin compris pourquoi le ciel est bleu. Mais il m'a fallu attendre l'université, et encore on ne vous l'explique qu'après des heures de cours et de formules mathématiques. Alors qu'on peut au moins avoir une idée du phénomène impliqué sans en arriver là. Jetez un coup d'oeil vers le ciel durant une nuit sans nuages. Que voyez-vous ? Des étoiles bien sûr, pour ceux qui ont la chance de ne pas habiter sous un réverbère. Pas du bleu. Pas la moindre trace de quoi que ce soit de bleu. Alors, le ciel est-il bleu ? Oui, durant le jour. Et là on ne voit plus les étoiles. Allez, encore un effort, on y est presque: lorsque l'on voit le ciel bleu, curieusement, le soleil est également dans le ciel. Et lorsque ce dernier n'y est plus, et bien le ciel est tout bêtement noir. Donc le bleu doit avoir quelque chose à voir avec la lumière du soleil. Durant le "jour" (lorsque nous nous trouvons du côté éclairé de la Terre), le bleu du ciel masque les étoiles (sauf le soleil), car sa est d'une sa luminosité est trop importante. Et cette lumière provient du soleil, puisque lorsqu'on se trouve du côté nuit, on ne perçoit plus cette lumière bleue. Il doit donc y avoir un phénomène qui fait que le ciel s'illumine de bleu tant que le soleil est levé.

Le bleu du ciel

Si on est un peu bricoleur, on peut avoir des iindices sur la nature de ce phénomène: prenez un aquarium (ou un saladier, ou un grand bocal), remplissez-le d'eau, et ajoutez juste assez de lait pour que le mélange devienne légèrement opaque. De façon à ce que, par exemple, on distingue mal les objets qui sont vus au travers du liquide. Quelques gouttes de lait suffisent. Débrouillez-vous pour faire passer un rayon de lumière blanche dans le récipient. Par exemple, en prenant une lampe de poche à LED. Placez un cache autour de la lampe, par exemple un carton roulé en cylindre, et fixé à la lampe, de façon à focaliser un peu la lumière de la lampe. Mettez-vous dans une pièce sombre avec votre bocal et votre lampe, et pointez la lampe vers le récipient contenant le mélange eau+lait. Si vous n'avez pas ajouté trop de lait, vous devriez observer deux phénomènes: la lumière qui arrive sur le bocal ne traverse pas tout droit, elle ressort également par les côtés, et la couleur de ce qui sort par les côtés est entre le gris et le bleu. D'autre part, si vous regardez la lampe au travers du récipient, vous la voyez rouge. Bien que la lampe émette bien du blanc. Si vous avez suivi ce que je disais dans la première partie alors vous vous souvenez que ce que l'on appelle couleur, c'est la longueur d'onde du rayonnement qui arrive sur notre rétine. Le bleu correspond à une longueur d'onde de 370 nanomètres environ, tandis que le rouge, moins énergétique, se situe vers les 750 nanomètres (selon la teinte de rouge). Ce que l'on appelle lumière blanche, c'est la superposition des différentes longueurs d'onde: si vos yeux reçoivent une infinité de photos, chacun à une longueur d'onde différente, le cerveau va faire une moyenne et va traduire l'information comme "couleur=blanc". C'est la colorimétrie additive. Je parlerai de l'inverse, la colorimétrie soustractive, dans un autre article (c'est vraiment intéressant, mais si !).

Le bleu du ciel

Dans notre expérience avec le bocal, la lampe et les gouttes de lait, on comprend intuitivement que le mélange eau+lait a décomposé la lumière de la lampe en bleu d'un côté (ce qui ressort du bocal dans toutes les directions) et rouge de l'autre: c'est la couleur que l'on perçoit en regardant la lampe au travers du liquide. Le rouge est ce qu'il reste une fois que l'on a enlevé le bleu de la lumière blanche incidente. Alors oui le bleu n'est pas très nettement visible sur les côtés, c'est essentiellement du au fait que ce bleu va être renvoyé dans toutes les directions de l'espace, et donc que son intensité va être diluée. Plutôt que de dire que le bleu est "renvoyé", on va utiliser le terme de diffusion: mettons que, par un effet que l'on ne comprend pas jusque là, le mélange eau+lait va diffuser le bleu, et pas le rouge qui continue dans la même direction, ce qui explique que l'on voit nettement la lampe rouge au travers du liquide. Bon, ça c'est pour l'eau et le lait, mais qu'est-ce qui nous dit que c'est le même phénomène que pour le ciel ? Il faudrait pouvoir montrer qu'il y a bien une décomposition de la lumière blanche du soleil en bleu + tout le reste des couleurs. Et bien il se trouve que c'est exactement ce que l'on observe lors des couchers de soleil ! Le bleu est fortement diffusé par l'atmosphère, et le soleil, au moment de se coucher, est vu au travers d'une quantité d'air très importante (plusieurs centaines de kilomètres). Toute la lumière bleue est alors enlevée par diffusion, et il ne reste que des teintes oranges et rouges des couchers de soleil.

Le bleu du ciel

On peut se demander pour quelle raison la couleur bleue est plus diffusée que les autres. Là, il faut entrer un minimum dans la physique et le formalisme mathématique: la probabilité, pour un photon, d'être diffusé lors d'un trajet de longueur donnée dans l'atmosphère est inversement proportionnel à la longueur d'onde puissance cinq. En d'autres termes, plus l'onde possède une longueur d'onde faible (et donc une énergie importante) plus sa probabilité d'être diffusée est importante. Pour arriver à diffuser le rouge, il faut avoir des trajets optiques très longs. Ou plus exactement, il faut une grande quantité de sites diffuseurs. Ce qui est le cas à des pressions plus importantes que la pression atmosphérique sur Terre.

Le bleu du ciel

Juste pour l'anecdote, je vais rapidement parler d'un effet collatéral de la diffusion des courtes longueurs d'ondes (le bleu) par l'atmosphère: tout le monde aura certainement déjà remarqué que lorsque l'on regarde un objet lointain, comme une montagne, situé à grande distance, l'objet en question apparaît bleuté. On peut facilement se convaincre de cet effet en observant la photographie d'un paysage où divers reliefs sont situés à diverses distances de l'observateur. Au fur et à mesure que l'on observe des objets de plus en plus lointains, ils apparaissent de plus en plus bleutés.

Le bleu du ciel

Enfin, est-il possible de savoir quelle est la couleur du ciel sur d'autres planètes ? Et bien la physique est partout la même: tout dépend de la composition de l'atmosphère. Et de la présence d'une atmosphère. Sur la Lune par exemple, point d'atmosphère. Le ciel est donc noir, sauf dans la direction du soleil bien sûr. Le cas de Mars est intéressant: il y a bien une atmosphère, mais avec une pression au sol qui varie entre 3 et 6 millibars, contre 1 bar sur Terre; donc la masse de la colonne d'air sur Mars est globalement 250 fois plus faible que sur Terre. Il faudrait donc des trajets optiques 250 fois plus importants pour observer la même diffusion du bleu que sur Terre. Par contre, l'atmosphère de Mars est chargée en micro-particules de poussière orange / rouge. Ces poussières sont constituées de matériau solide, et ne vont donc pas diffuser, mais absorber et réfléchir le rayonnement du soleil. Le rouge est donc plutôt bien réfléchi par les particules (car on les voit rouge !). Cet effet est finalement très similaire à de la diffusion moléculaire. Quand on regarde ce qui peut traverser sans être réfléchi, ill ne reste donc que... le bleu ! L'effet est donc totalement inverse de ce qui se passe dans l'atmosphère terrestre: le ciel est d'une teinte rouge, mais par contre, lorsqu'on regarde le soleil, il reste les courtes longueurs d'onde, qui n'ont pas changé de direction lors de leur trajet dans l'atmosphère. Conclusion: sur Mars, on peut voir le soleil bleu, lorsque la masse d'air traversée est suffisamment forte (au lever et au coucher du soleil). Cet effet a été récemment observé par le robot Curiosity lorsqu'il a braqué ses caméras vers le soleil.

Vincent Eymet

Ancien chercheur en énergétique / transfert radiatif (climatologie, astrophysique, aéronautique). Maintenant directeur de la recherche chez Méso-Star (meso-star.com)

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