Pourquoi le ciel est-il bleu ?

Si depuis les autres corps célestes le ciel apparaît noir ou dans d’autres couleurs du spectre, depuis la surface du sol terrestre, de jour, celui-ci montre une couleur majoritairement bleue. Quel est alors le mécanisme physique à l’origine de ce phénomène ? Pourquoi le ciel apparaît-il bleu ?

Bien que le Soleil apparaisse jaune lorsqu’il est observé depuis la surface terrestre, sa lumière est blanche. Comme beaucoup de sources lumineuses, la lumière du Soleil est polychromatique ; il s’agit d’une combinaison de plusieurs couleurs correspondant à diverses longueurs d’onde du spectre électromagnétique. Cela se confirme particulièrement avec le phénomène des arcs-en-ciel, où la lumière solaire est dispersée à la manière d’un prisme, par les gouttelettes d’eau atmosphériques.

L’atmosphère terrestre est composée de molécules telles que le dioxygène, le diazote ou encore le dioxyde de carbone. Sans atmosphère, les rayons solaires se propageraient en ligne droite jusqu’à frapper le sol. Cependant, la présence de ces molécules impacte le trajet de ces rayons et différents mécanismes optiques peuvent ainsi se produire : réflexion (comme dans le cas d’un miroir), dispersion (comme dans le cas d’un prisme), réfraction ou diffusion.

Une partie de la lumière solaire atteint la surface du sol après avoir subi plusieurs réfractions. Une autre partie interagit avec les molécules d’air. Le phénomène de diffusion de Rayleigh intervient lorsque la longueur d’onde de l’onde électromagnétique (lumière solaire) diffusée est plus grande que la taille des particules diffusantes. Cela est effectivement le cas pour l’atmosphère car les molécules de diazote et de dioxygène ont respectivement un diamètre de 0.315 nm et 0.292 nm.

La puissance moyenne diffusée par une molécule fait intervenir la pulsation de l’onde diffusée, cette dernière étant inversement proportionnelle à la longueur d’onde (à la puissance 4 dans l’équation). En d’autres termes, plus la longueur d’onde d’une onde est petite, plus celle-ci sera diffusée.

Dans le spectre électromagnétique, la longueur d’onde du bleu se situe entre 446 nm et 500 nm ; tandis que celle du rouge se situe entre 620 nm et 700 nm. La lumière bleu est donc diffusée environ 5 fois plus que la lumière rouge.

C’est cette diffusion majoritaire du bleu dans toutes les directions qui donne cette couleur bleue au ciel. Dans le lointain, à l’horizon, la couleur du ciel se déplace vers le bleu très clair, voir le blanc bleuté. Cela est dû au fait qu’avant de nous atteindre, la lumière solaire a été diffusée de très nombreuses fois par les molécules d’air dans de nombreuses directions.

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Lorsque que le Soleil est plus bas dans le ciel, sa lumière rencontre une densité atmosphérique plus importante (molécules d’air, aérosols, poussière), la lumière bleue en est donc d’autant plus diffusée, permettant aux longueurs d’onde rouges, oranges et jaunes de se frayer un chemin jusqu’à nos yeux. C’est pourquoi les couchers de Soleil apparaissent généralement oranges/rouges.

Cette densité atmosphérique plus importante en basse altitude modifie les processus physiques et optiques mis en jeu. La diffusion de Rayleigh devient inapplicable, et c’est un autre mécanisme de diffusion, la diffusion de Mie, qui s’applique aux rayons solaires. Les gouttelettes d’eau en suspension sont majoritaires dans les nuages et diffusent la lumière solaire de manière uniforme ; cette dernière étant polychromatique, et donc blanche, les nuages apparaissent ainsi blancs.