Les couleurs du ciel

Le ciel tout le monde l'a déjà regardé.  Ces couleurs peuvent aller du rouge au bleu pendant la journée  jusqu'au noir pendant la nuit. Ces couleurs se retrouvent également dans les arcs en ciel après un épisode de pluie par exemple. Mais au fait, d'où viennent ces couleurs et comment se forment-elles? Autant de question auxquelles nous allons tenter de répondre dans ce post.

Un pense bête au sujet de la lumière

La lumière est composée de photons. Les photons ont différentes énergies : ce sont les différentes couleurs du spectre lumineux. Ainsi, les photons bleus sont plus énergétiques que les photons verts, eux-mêmes plus énergétiques que les photons rouges, etc. Cela ne se limite pas au spectre visible (cf image ci-dessous). On comprend pourquoi les UV sont plus dangereux que la lumière visible, quand bien même ils sont moins nombreux à atteindre le sol.

Ce sont les photons qui nous permettent de voir les objets qui les réfléchissent. Quand la lumière du soleil éclaire un objet rouge, par exemple, celui-ci va absorber tous les photons sauf les photons rouges qu’il va réfléchir. Ainsi la lumière qui nous parvient de l'objet est principalement composée de photons rouges, d'où notre perception de la couleur de l'objet.

Spectre de la lumière. Adapté de GreenFacts.org

Pour différencier les photons, on utilise une caractéristique physique, appelée longueur d'onde notée λ (la lettre grec). Cette caractéristique s'exprime en une fraction de mètre : le nanomètre. Il s'agit d’'un millionième de millimètre : pour vous donner une idée, si la largeur d'une mine de crayon était de un nanomètre, un millimètre représenterait la distance entre deux bornes kilométriques.

Cette longueur d'’onde est liée inversement à l’'énergie du photon : plus un photon est énergétique, plus sa longueur d’'onde sera petite. Ainsi la longueur d'onde d'un photon bleu, très énergétique, à la limite de l'ultraviolet, sera de 390 nm, tandis qu'un photon rouge, moins énergétique, à la limite de l'infrarouge aura une longueur d'onde de 750 nm.

La couleur du ciel

La couleur du ciel (bleu en journée, jaune orangé le soir et le matin) est due à un phénomène appelé diffusion de Rayleigh.

Le principe est le suivant : quand la lumière du soleil pénètre dans l'atmosphère, elle rencontre les molécules qui la composent. Ces molécules vont « absorber » la lumière et la réémettre dans toutes les directions: c'est la diffusion. Cependant, le comportement des molécules n'est pas le même suivant la longueur d’' onde, l'énergie des photons qu'elles captent. Ainsi, suivant la loi de diffusion de Rayleigh, la quantité de photons diffusés par ce phénomène est proportionnelle à 1/ λ^4.

Le bleu ayant une longueur d'’onde environ 2 fois plus petite que le rouge ( 750/390 ~ 2), la quantité de photons bleus diffusée sera 16 fois plus élevée ( 2^4 = 16) !

Diffusion de Rayleigh. 

Nous pouvons donc expliquer quelques observations :

- La couleur du Soleil : notre soleil est normalement de couleur blanche, mais à cause de la diffusion Rayleigh, il y a moins de photons bleus que de photons verts et rouges qui atteignent notre œœil quand on observe le soleil (Attention : ne regardez jamais le soleil directement sans équipement approprié), d'où sa couleur jaune (vert + rouge = jaune).

Le passage de la lumière à travers l'atmosphère.  Crédit: naturespicwallpaper.com & pichost.me

- Le ciel bleu en journée : hormis au voisinage du soleil, le ciel prend une couleur bleue en journée. En effet, les molécules de l'atmosphère diffusant la lumière bleue dans toutes les directions, les portions du ciel dont le soleil est absent paraissent « plus » bleues. A titre de comparaison, sur la Lune, qui ne possède pas d'atmosphère, le ciel est noir même en pleine « journée ».

La lune au couché.....ou levé du soleil, au choix.
Crédit: NASA

- Le ciel orangé le soir et le matin : il s'agit d'une conséquence de la diffusion Rayleigh. En soirée, comme en matinée, le soleil est à l'horizon. A ce moment là, la lumière du soleil qui nous parvient, a traversée une épaisse couche d'atmosphère qui  lui a ôtée une grande partie de lumière bleue et même verte. La lumière restante se compose en majorité de photons jaunes et rouges d'où cette couleur orangé.

La diffusion Rayleigh n'est pas le seul phénomène responsable de la couleur ciel, mais il en est le principal acteur. Des poussières ou des gouttes d'eau en suspension dans l'atmosphère, qui reflètent eux tout le spectre visible,  peuvent donner au ciel une couleur plus claire. En haute altitude, par exemple, la  faible épaisseur de la couche atmosphérique donne au ciel une couleur plus sombre.

L'arc en ciel

Comme nous l'avons dit plus haut, la lumière que nous recevons sur terre vient du soleil. Cette lumière, que l'on appelle lumière blanche contient tout les couleurs allant du rouge au bleu, ce sont les couleurs de l'arc en ciel. L'arc en ciel est un phénomène optique qui décompose cette lumière du soleil. Il est observable seulement dans certaines conditions. L'arc en ciel est visible lorsqu'une source de lumière, situé derrière l'observateur, éclaire des gouttelettes d'eau en suspension dans l'air. Voyons plus en détails comment il se forme.

Formation d'un arc en ciel

La lumière du soleil rencontre, sur son chemin, des gouttelette d'eau. Cette gouttelette va agir sur la lumière comme un prisme (cf une pochette d'album d'un groupe de rock célèbre...Les flamants roses :D ). Lors de la rencontre de la lumière et de la goutte (en 1 sur le schéma ci dessus) les rayons lumineux vont être déviés car l'indice optique de la goutte (n=1.33) est différent de celui de l'air (n=1). C'est ce qu'on appelle la réfraction  de la lumière. L'angle de réfraction sera donc plus petit que l'angle d'incidence. La valeur de cette angle va dépendre de la longueur d'onde. C'est ce qu'on appelle la dispersion de la lumière.

Dans le cas d'une gouttelette d'eau le bleu sera moins dévié que le rouge. Une fois dévié les rayons lumineux (aussi bien les bleus que les rouges) vont poursuivre leur chemin à l'intérieur de la goutte jusqu'à arriver à l'obstacle suivant: l'autre côté de la goutte (en 2). A ce stade, une partie de la lumière va quitter la goutte et continuer son chemin. L'autre partie va être réfléchie.

Cette partie qui est réfléchie va continuer encore son chemin dans la goutte pour rencontrer encore une fois la bord de la goutte (en 3). Ici une partie de l'onde va sortir et sera donc encore réfractée. Ces rayons lumineux arriveront ensuite à l'observateur (en 4). Comme nous l'avons dit plus haut, la goutte décompose la lumière. Donc chaque couleur va avoir son propre chemin dans la goutte. Par conséquent en sortant de celle ci les couleurs vont avoir des chemins différents également.

Ainsi, chaque couleur que l'observateur peut observer vient de gouttes différentes. Les gouttes les plus hautes en altitude vont contribuer à la couleur rouge et les gouttes les plus basses donneront la couleur bleu.

Ils arrivent, mais cela est plus rare, que des arcs en ciel puissent être observés lors de nuit très clair. La lumière provient alors de la lune, qui exerce une réflexion des rayons lumineux du soleil.


Professeur Albert