Pourquoi le ciel est-il bleu est l’une des questions fréquemment posées. La réponse courte à cette question est: à cause de l’atmosphère terrestre et de la lumière du soleil. Si la Terre n’avait pas d’atmosphère, le ciel serait aussi noir le jour que la nuit.
Le ciel est bleu pour aujourd’hui et noir pour les nuits. Ce qui distingue le jour de la nuit, c’est la lumière solaire qui est absente la nuit, car nous sommes alors sur la partie de la Terre qui fait face au soleil. Cela nous donne déjà le premier indice de ce dont nous parlons – la lumière du soleil affecte la couleur du ciel.
Lumière du soleil et couleurs
Le soleil est blanc, tout comme les rayons du soleil, qui doivent parcourir de nous au soleil jusqu’à (environ) 150 millions de kilomètres. Dire que le Soleil est blanc peut être un peu trompeur car le blanc n’est pas vraiment une couleur, ce qui signifie qu’il ne s’agit pas d’une seule couleur. Il se compose de nombreuses couleurs (plus professionnellement, on peut dire comme ceci: le blanc est une couleur polychromatique, composée d’une gamme continue de couleurs). Voici ce que cela signifie vraiment.
Les rayons de lumière blanche peuvent être séparés en un magnifique spectre de couleurs colorées à l’aide d’un appareil semblable à un prisme. Il s’agit d’un phénomène à long terme dans lequel la lumière solaire blanchâtre se décompose en un spectre coloré de couleurs à travers les gouttes de pluie.
Nous pouvons également voir la lumière comme une onde, et pour comprendre pourquoi le ciel est bleu, nous devons le faire. Ainsi, d’une manière générale, la lumière est une onde (plus formellement: un rayonnement électromagnétique) d’une certaine longueur (ou fréquence).
Les ondes de lumière visible (c’est ce que notre œil peut détecter et transformer notre cerveau en image) ont des longueurs d’onde d’environ 400 à 700 nanomètres, et dans ce contexte, la couleur n’est que certaines longueurs d’onde. Par exemple, la lumière rouge a une longueur d’onde d’environ 625 à 740 nanomètres, la lumière verte a une longueur d’onde de 500 à 565 nanomètres, la bleue a une longueur d’onde de 380 à 440 nanomètres et la violette a une longueur d’onde de 380 à 440 nanomètres.
Concernant la question à laquelle nous répondons ici, il est important de se rappeler ce qui suit:
- La lumière bleue et violette a la longueur d’onde la plus basse des autres couleurs de lumière visibles,
- Le soleil traverse l’espace vide sur son chemin vers nos yeux jusqu’à ce qu’il atteigne l’atmosphère terrestre. Et lorsque vous le traversez, des choses intéressantes se produisent qui finissent par rendre le ciel bleu.
Atmosphère de la Terre
Quelle est l’atmosphère terrestre en général? C’est le manteau terrestre, composé de divers gaz (et il existe parce que la gravité terrestre est suffisamment forte pour les « attacher » à elle-même). Nous savons tous que l’un de ces gaz est l’oxygène, dont les gens ont besoin pour vivre.
Mais beaucoup sont surpris d’apprendre que la majeure partie va à l’azote. La proportion d’oxygène dans l’atmosphère est d’environ 21 % et celle d’azote de 78 %. L’interaction de la lumière du soleil avec les molécules d’azote et d’oxygène dans l’atmosphère rend notre ciel bleu.
Diffusion des rayons solaires dans l’atmosphère
Lorsque les rayons du soleil pénètrent dans l’atmosphère, traversant sans entrave l’espace aérien, ils commencent à « entrer en collision » avec les molécules d’azote et d’oxygène. Il existe un phénomène que nous appelons diffusion, ou diffusion Rayleigh (d’après Lord Rayleigh, qui a décrit ce phénomène en 1871). Une telle diffusion se produit lorsque la taille des particules sur lesquelles la lumière est diffusée est inférieure à la longueur d’onde de cette lumière (et cela est vrai pour les molécules d’azote et d’oxygène dans l’atmosphère, qui sont beaucoup plus petites que la longueur d’onde de la lumière solaire visible).
Ce qui est important à propos de la diffusion de Rayleigh, c’est qu’elle dépend de la longueur d’onde ou de la couleur de la lumière: la lumière à courte longueur d’onde diffuse le plus et la lumière à grande longueur d’onde diffuse le moins (si, par hasard, à la quatrième puissance de la longueur d’onde). Par exemple, la lumière bleue typique diffuse environ 5 fois plus efficacement que la lumière rouge.
Lorsque les rayons du soleil traversent l’atmosphère, les rayons violets se dispersent le plus, suivis des rayons bleus. Cela peut être considéré comme les couleurs violettes et bleues « fuyant » la lumière blanche du soleil et se réarrangeant, c’est-à-dire se dispersant dans le ciel et atteignant finalement les yeux, créant une image colorée du ciel. Cependant, si le violet est plus diffus que le bleu, alors pourquoi le ciel n’est-il pas violet, mais bleuté?
Il y a deux raisons à cela. Tout d’abord, nous remarquons qu’il y a moins de couleurs violettes dans le spectre solaire que de bleues. Deuxièmement, les yeux humains sont plus sensibles au bleu qu’au violet. C’est pourquoi le ciel finit par nous apparaître bleu. Et s’il n’y avait pas d’atmosphère, elle serait noire, car il n’y aurait pas de molécules pour disperser la lumière du soleil dans le ciel.
Pourquoi le ciel est-il rouge au lever et au coucher du soleil?
Au lever et au coucher du soleil, la lumière du soleil doit parcourir une plus longue distance à travers l’atmosphère que lorsque le soleil est haut dans le ciel pour atteindre nos yeux. Dans ce cas, le rayonnement violet et bleu est diffusé plusieurs fois dans des directions aléatoires et n’atteint finalement pas nos yeux. Et s’il y a beaucoup de particules de poussière et de smog dans cette couche de l’atmosphère, leur dispersion contribuera à encore plus de rougissement, créant de magnifiques couchers de soleil.
