Pourquoi le ciel est-il bleu ?

Qu'est-ce que la diffusion de Rayleigh ?

La lumière du Soleil paraît blanche, mais elle contient en réalité toutes les couleurs visibles, du violet autour de 400 nanomètres jusqu'au rouge autour de 700 nanomètres. En traversant l'atmosphère, cette lumière rencontre les molécules d'azote et d'oxygène qui composent l'air. Ces molécules sont beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière : c'est exactement la situation où la physique parle de diffusion de Rayleigh, du nom du physicien britannique qui l'a décrite à la fin du dix-neuvième siècle.

D'après les explications de l'Observatoire de Paris, l'intensité de la lumière diffusée par ce mécanisme varie comme l'inverse de la longueur d'onde élevée à la puissance quatre. Une onde bleue, plus courte, est donc diffusée bien plus souvent qu'une onde rouge, plus longue, et cela dans toutes les directions du ciel. Le bleu que l'on voit en regardant loin du Soleil est fait de cette lumière renvoyée dans tous les sens par l'atmosphère, pas de lumière venue directement de l'astre.

Ce mécanisme ne fonctionne que pour des particules beaucoup plus petites que la lumière, comme les molécules d'air. Les gouttelettes d'eau d'un nuage, elles, sont largement plus grosses : elles diffusent à peu près également toutes les couleurs, ce qui donne du blanc ou du gris plutôt que du bleu. Des gouttes de pluie, à peu près de la même taille, produisent un effet optique différent : sous un angle précis face au soleil, elles décomposent la lumière en un arc-en-ciel par réfraction, un mécanisme bien distinct de la diffusion qui colore le ciel.

Pourquoi le ciel n'est-il pas violet, puisque le violet est diffusé encore plus ?

Si l'on s'en tenait à la seule loi de Rayleigh, le violet, dont la longueur d'onde est plus courte que celle du bleu, devrait dominer le ciel plutôt que le bleu. La lumière solaire contient d'abord moins d'énergie violette que d'énergie bleue au départ, un simple fait du spectre solaire. Deux autres raisons s'y ajoutent, selon les explications pédagogiques de l'agence américaine NOAA, qui travaille notamment sur l'observation de l'atmosphère : une partie du violet est absorbée par les couches hautes de l'atmosphère avant d'arriver jusqu'au sol, et l'œil humain y est moins sensible qu'au bleu.

La raison la plus déterminante reste cependant la sensibilité de l'œil humain : nos cellules sensibles à la couleur répondent moins bien au violet qu'au bleu. Même quand les deux teintes sont diffusées ensemble, le résultat perçu est une sensation de bleu plutôt que de violet. Le ciel n'est donc pas violet non pas parce qu'il n'y a pas de violet dans la lumière diffusée, mais parce que nos yeux ne le perçoivent pas comme tel.

Ces trois facteurs se cumulent pour expliquer la couleur perçue du ciel.

Pourquoi le ciel vire-t-il au rouge et à l'orange au lever et au coucher du soleil ?

À midi, la lumière du Soleil traverse l'atmosphère presque à la verticale : le trajet est court. Au lever et au coucher, elle arrive presque à l'horizontale et traverse une épaisseur d'air beaucoup plus grande avant d'atteindre un observateur au sol. Selon l'Observatoire de Paris, le rayonnement devient d'autant plus rouge que l'épaisseur d'atmosphère traversée est importante.

Sur ce trajet allongé, la quasi-totalité de la lumière bleue est diffusée loin de la ligne de visée directe. Il ne reste alors, dans le faisceau qui atteint l'œil, que les couleurs les moins sensibles à la diffusion : le rouge, l'orange et le jaune. C'est le même phénomène qui colore le ciel en bleu à midi et en orange le soir : seule change la distance d'air traversée. Les photographes appellent d'ailleurs ce moment l'heure dorée, pour cette palette de couleurs chaudes. Un article dédié détaille ce basculement, poussière et pollution comprises, pour les couchers de soleil particulièrement rouges.

Et sans air, pourquoi le ciel est-il noir ?

Le mécanisme fonctionne dans les deux sens. Sans atmosphère, il n'y a aucune molécule pour diffuser la lumière du Soleil dans toutes les directions : sur la Lune ou dans l'espace, le ciel reste noir en plein jour dès qu'on ne regarde pas directement l'astre. C'est l'air qui fabrique le bleu du ciel : sans air, pas de diffusion, et donc pas de couleur du tout.