Introduction
Depuis notre naissance, nous sommes tellement habitués à voir, par beau temps, le ciel de couleur bleue et non pas de couleur rouge, verte ou jaune, que cela ne nous étonne plus. Pourtant, essayer d'expliquer simplement l'origine de la couleur bleue du ciel n'est pas forcément évident et demande déjà de bonnes connaissances en physique. Néanmoins nous allons vous presenter les principaux mécanismes permettant d'expliquer ce phénomène.
Pour comprendre la couleur bleue du ciel il est nécessaire de tenir compte de trois éléments:
- le Soleil,
- l'atmosphère terrestre,
- et l'observateur (autrement-dit nous).
Lumière !
Commençons par la source de lumière c'est-à-dire notre Soleil. Savez vous que la température à la surface de ce dernier est d'environ 6000 degrés Celsius!. Cette température importante résulte de la fusion nucléaire qui se produit en son centre. Notre Soleil rejette alors de l'énergie qui est véhiculer par la lumière (ou rayonnement électromagnétique). En physique, il existe plusieurs façon de représenter la lumière selon le domaine d'étude. Pour cet exposé nous raisonnerons, par la suite, en terme de particules lumineuses (ou photons) car cette représentation de la lumière est, dans le cadre d'un article de vulgarisation, la plus simple pour expliquer la couleur du ciel.
Le Soleil émet donc de l'énergie qui est transportée par différentes particules lumineuses. Cependant ces particules ne transportent pas toutes la même quantité d'énergie. Pour distinguer ces particules, nous leurs associons différentes couleurs. Nous distinguerons par la suite trois catégories de particules associées aux couleurs rouge, verte et bleue car ces couleurs correspondent aux couleurs primaires et permettent de reproduire l'ensemble des couleurs visibles pour l'oeil humain (Pourquoi associe t-on différentes couleurs aux particules et comment ces dernières interagissent entre-elles est également une question intéressante mais cela nous éloignerai un peu trop du sujet principal. Néanmoins cette question devrait faire l'objet d'une future explication).
Atmosphère… Atmosphère…
En résumé, la lumière provenant du Soleil est constituée d'un ensemble de particules rouges, vertes et bleues (figure 1). Mais alors pourquoi voyons nous le ciel de couleur bleue ?. Il faut par conséquent prendre en compte un autre élément qui est, nous allons le voir par la suite, l'atmosphère terrestre.
Pour comprendre le rôle de l'atmosphère, imaginons tout d'abord qu'elle n'existe pas (figure 2); quelle serait alors la couleur du ciel ?. Si on regardait en direction du Soleil, le rayonnement solaire nous atteindrait directement, la lumière serait donc constituée, d'après notre précédente analyse, d'un ensemble de particule rouge, verte et bleue. L'addition de ces trois couleurs donnerait alors, en vertu de la synthèse additive des couleurs primaires (figure 3), une couleur blanche. Nous verrions ainsi le Soleil d'un blanc étincelant. Par contre, en dehors de la direction du Soleil aucune lumière provenant de celui-ci nous atteindrait, nous verrions alors le ciel d'un noir profond. Pour vous en persuader vous pouvez toujours aller regarder des photos prises à partir de la lune. En effet, cet astre étant dépourvu d'atmosphère l'analyse précédente est parfaitement valide.
La diffusions moléculaire
L'atmosphère terrestre est donc bien un élément indispensable pour expliquer la couleur bleue du ciel. Mais pourquoi le ciel nous parait-il bleu est pas rouge, vert ou même blanc Pour cela, il est important de se poser la question: de quoi est composée l'atmosphère terrestre ?. Eh bien, celle-ci est constituée d'un ensemble de particules comme les molécules, les aérosols (provenant par exemple de la fumée des cheminées ou des poussières désertiques) ou encore les gouttelettes d'eau (constituant les nuages). Etant donne que le ciel nous apparait principalement bleu par beau temps, nous considérerons par la suite une atmosphère purement moléculaire (autrement-dit nous supposerons une atmosphère sans nuages et sans aérosols). Quel est alors l'impact de la présence de ces molécules sur les particules lumineuses (ou photons) provenant du Soleil ?.
Ces molécules vont avoir différents impacts sur le rayonnement solaire, elles vont en effet soit absorbées une partie de celui-ci, soit déviées plus ou moins la trajectoire des particules lumineuses (on parle alors de diffusion). Pour expliquer la couleur bleue du ciel il est surtout important de prendre en compte la diffusion par les molécules (l'absorption a également un rôle mais n'est pas indispensable pour expliquer la couleur du ciel). La question suivante est donc: quel est l'effet de la diffusion des particules lumineuse venant du Soleil par les molécules présentes dans l'atmosphère terrestre ?. La réponse à cette question est importante car la présence des molécules dans l'atmosphère ne va pas avoir le même impact sur les différentes particules lumineuses constituant le rayonnement solaire. En effet, les particules associées à la couleur bleue sont davantage diffusées que les particules associées aux couleurs verte ou rouge (figure 4). De plus, les molécules dévient la trajectoire des particules lumineuses dans toutes les directions de l'espace. Dans le cas de la diffusion des particules lumineuses du Soleil par des molécules on parle alors généralement de diffusion Rayleigh (en hommage à John William Strutt Rayleigh qui donna au 19ieme siecle une formulation rigoureuse à ce type de diffusion).
Conclusions
Maintenant que nous connaissons l'effet des molécules sur le rayonnement solaire nous pouvons appliquer cela à l'ensemble de l'atmosphère terrestre. (figure 5). Si on regarde directement en direction du Soleil, le rayonnement solaire parvenant jusqu'à nous est principalement constitué de particules associées aux couleurs rouge et verte. En effet, la plupart des particules bleues ont été diffusées dans d'autres directions. Le rayonnement étant constitué principalement de particules associées aux couleurs rouge et verte, le Soleil nous apparait donc, d'après la synthèse additive des couleurs primaires (figure 3), de couleur jaune. Vous comprenez désormais pourquoi nous voyons à la surface de la Terre notre Soleil plutôt de couleur jaune. Par contre, si on regarde dans une direction, autre que la direction du Soleil, nous voyons le ciel de couleur bleue. Les molécules présentes dans l'atmosphère ayant diffusées principalement dans toutes les directions les particules lumineuses associées à cette couleur. La couleur bleue du ciel est donc une conséquence de la diffusion Rayleigh du rayonnement solaire par les différentes molécules présentes dans l'atmosphère terrestre.
Nous vous avons presenté dans cette article pourquoi le ciel est bleu et nous espérons que vous avez appris certaines choses. Néamoins, dans le raisonnement, nous avons parfois simplifié certains points, ceci afin de ne pas vous noyer dans des détails, qui aurait pu nuire à la compréhension générale. Nous vous apprendrons progressivement différentes subtilités, à travers les différentes questions et cours présents sur le site. Vous vous posez, en effet, surement comme question: pourquoi alors les nuages sont blancs ?, pourquoi le ciel est plutôt rouge quand le Soleil est bas ?... Ces questions sont également intéressantes et seront présentées ultérieurement.
