« Pourquoi le ciel est bleu ? » Tous les parents ont entendu cette question. Beaucoup ont hésité avant de répondre. La réponse tient en un mot, la diffusion, et elle a occupé les plus grands physiciens du XIXe siècle. Elle explique aussi pourquoi le coucher de soleil est orange et les nuages blancs.
La lumière blanche est un mélange
Pour commencer, il faut rappeler un fait établi par Isaac Newton au XVIIe siècle. La lumière du Soleil, qui nous paraît blanche, est en réalité un mélange de toutes les couleurs. Un prisme ou un arc-en-ciel la décomposent : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet.
Ces couleurs correspondent à des ondes de longueurs différentes. Le rouge a la longueur d’onde la plus grande, le violet la plus courte. Le bleu se situe entre les deux, plutôt du côté du violet.
L’atmosphère disperse la lumière
L’air qui nous entoure est composé principalement de molécules d’azote et d’oxygène. Ces molécules sont minuscules, beaucoup plus petites que la longueur d’onde de la lumière visible.
Lorsque la lumière du Soleil traverse l’atmosphère, elle rencontre ces molécules. Une partie de la lumière est alors renvoyée dans toutes les directions. C’est ce qu’on appelle la diffusion.
Le point essentiel est que cette diffusion ne touche pas toutes les couleurs de la même façon. Les courtes longueurs d’onde, le bleu et le violet, sont beaucoup plus diffusées que les grandes, le rouge et l’orange. Le physicien britannique Lord Rayleigh a établi, en 1871, la loi qui décrit ce phénomène. La diffusion est d’autant plus forte que la longueur d’onde est courte, et cet effet est très prononcé. La lumière bleue est diffusée plusieurs fois plus que la lumière rouge.
Pourquoi nous voyons du bleu
Quand nous regardons le ciel, loin du Soleil, nous ne voyons pas la lumière qui nous arrive directement. Nous voyons la lumière diffusée par l’atmosphère, qui nous parvient de toutes les directions. Comme le bleu est la couleur la plus diffusée, c’est lui qui domine. Le ciel nous apparaît bleu.
On peut résumer ainsi : le ciel est bleu parce que l’air renvoie davantage le bleu que les autres couleurs de la lumière solaire.
Pourquoi pas violet ?
Une objection vient naturellement. Si les courtes longueurs d’onde sont les plus diffusées, le violet devrait l’être encore plus que le bleu. Pourquoi le ciel n’est-il pas violet ?
Plusieurs raisons se combinent. D’abord, la lumière du Soleil contient moins de violet que de bleu. Une partie du violet est aussi absorbée dans la haute atmosphère. Ensuite, et surtout, notre œil est beaucoup moins sensible au violet qu’au bleu. Les cellules de la rétine qui perçoivent les couleurs réagissent davantage au bleu. Le mélange de lumière diffusée, interprété par notre cerveau, nous apparaît bleu clair.
Le coucher de soleil
Le soir et le matin, le Soleil est bas sur l’horizon. Sa lumière doit alors traverser une épaisseur d’atmosphère beaucoup plus grande pour nous parvenir. En chemin, l’essentiel du bleu est diffusé dans d’autres directions et n’arrive pas jusqu’à nous.
Il reste surtout les couleurs que l’air diffuse peu : le jaune, l’orange et le rouge. Le Soleil nous paraît alors orangé, et le ciel autour de lui prend des teintes chaudes. Les poussières, les fumées ou les cendres volcaniques présentes dans l’air peuvent rendre ces couchers de soleil encore plus colorés.
Pendant ce temps, à l’autre extrémité du ciel, loin du Soleil, la couleur bleue domine encore. C’est ce dégradé que l’on observe si souvent en été.
Pourquoi les nuages sont blancs
Les nuages sont composés de gouttelettes d’eau ou de cristaux de glace. Ces particules sont beaucoup plus grosses que les molécules d’air. Elles diffusent toutes les couleurs à peu près de la même façon. Ce phénomène porte un autre nom, la diffusion de Mie, du nom du physicien allemand Gustav Mie.
Comme toutes les couleurs sont diffusées ensemble, la lumière reste blanche. Les nuages épais paraissent gris par en dessous parce que la lumière a du mal à les traverser. Ils ne sont pas d’une autre couleur, ils sont simplement moins éclairés.
Le ciel de Mars
Les sondes envoyées sur Mars offrent une confirmation spectaculaire. L’atmosphère martienne est très ténue et chargée de fines poussières de couleur rouille. En journée, ces poussières diffusent la lumière d’une façon différente. Le ciel de Mars apparaît d’une couleur beige orangé.
Au coucher du Soleil, en revanche, le ciel martien prend une teinte bleutée autour du Soleil. Les poussières y diffusent préférentiellement la lumière bleue vers l’avant. Les robots de la NASA en ont rapporté des images saisissantes. Sur Mars, le jour est orangé et le crépuscule est bleu, à l’inverse de la Terre.
Le bleu des montagnes lointaines
La diffusion de la lumière explique aussi pourquoi les montagnes lointaines paraissent bleutées. Entre elles et notre œil, l’air diffuse la lumière bleue. Les peintres de la Renaissance avaient observé ce phénomène et l’utilisaient pour donner de la profondeur à leurs paysages.
Une question qui a fait progresser la science
La couleur du ciel a longtemps intrigué les savants. Léonard de Vinci s’y est intéressé. Au XIXe siècle, le physicien irlandais John Tyndall a reproduit en laboratoire la couleur bleue du ciel en faisant passer de la lumière à travers un tube contenant de fines particules en suspension. Lord Rayleigh en a ensuite donné l’explication mathématique.
Ces travaux ont eu des prolongements importants. L’étude de la diffusion de la lumière a aidé à comprendre la taille des molécules et a contribué à confirmer leur existence. La prochaine fois qu’un enfant vous demandera pourquoi le ciel est bleu, vous pourrez lui répondre que la réponse a aidé les physiciens à voir l’invisible.
Pour aller plus loin
John William Strutt, Lord Rayleigh, « On the light from the sky, its polarization and colour », Philosophical Magazine, 1871
John Tyndall, travaux sur la diffusion de la lumière, 1859-1869
CNRS Le Journal, articles de vulgarisation sur l’optique atmosphérique
NASA, Mars Exploration Program, images du ciel martien
Fiche de production — ne pas publier
