29 notions-clefs : les couleurs du ciel

Auteurs : Roland L.(plus d'infos)
Résumé :
Notre planète est entourée d’une remarquable enveloppe d’air qui donne à son ciel un aspect toujours changeant. Quand il fait beau, son ciel est bleu. En tout cas, c’est ce que nombre d’entre nous seraient prêts à affirmer... Document issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Copyright :
Publié avec l'aimable autorisation des éditions Le Pommier.

 

 

Pourquoi le ciel est-il bleu le jour ?

Notre planète est entourée d’une remarquable enveloppe d’air qui donne à son ciel un aspect toujours changeant. Quand il fait beau, son ciel est bleu. En tout cas, c’est ce que nombre d’entre nous seraient prêts à affirmer. Et pourtant, observons plus attentivement notre ciel. Que constatons-nous ? D’abord, qu’il présente d’autres couleurs, même par beau temps : il est presque blanc près de l’horizon et peut prendre d’autres teintes allant du jaune pâle au rouge foncé en passant par toute une palette de bleus. Ensuite, le ciel est moins lumineux au zénith et devient de plus en plus brillant au fur et à mesure que l’on se rapproche de l’horizon (pour un Soleil de hauteur moyenne dans le ciel). Pour expliquer la vaste palette de ces couleurs, il faut d’abord comprendre ce qui arrive à la lumière du Soleil quand elle traverse l’atmosphère terrestre.

 


Image de tout le ciel prise avec un objectif « fish-eye ». Il est clair que le ciel n’est pas uniformément bleu : il est plus sombre dans la direction du zénith et le bleu est moins saturé près de l’horizon. © Till Credner, AlltheSky.com

Qu’arrive-t-il à la lumière du Soleil ?

Un jour clair et ensoleillé, il semble que le Soleil brille de toute sa force. Pourtant, la majeure partie de sa lumière n’atteint jamais le sol. Le rayonnement solaire qui frappe la haute atmosphère est atténué de deux manières : par absorption et par diffusion.
L’absorption est un phénomène dans lequel une partie de la lumière incidente est captée par les molécules qui, par exemple, se mettent à vibrer ou à tourner sur elles-mêmes. Cette énergie interne moléculaire finit par être dissipée en chaleur. L’absorption ne se produit pas de manière uniforme dans tout le spectre des couleurs, mais seulement dans certains domaines de longueurs d’onde déterminés par la structure et la composition des molécules absorbantes. (La lumière est une onde électromagnétique que l’on peut caractériser par sa période spatiale, sa longueur d’onde, distance qui sépare deux crêtes successives de l’onde. À chaque longueur d’onde de la lumière visible notre cerveau associe une couleur : le bleu correspond à une longueur d’onde d’environ 450 milliardièmes de mètre (nanomètres), le rouge à une longueur d’onde de 700 nanomètres) Ainsi, l’atmosphère est essentiellement transparente à la lumière visible mais quasiment opaque à la lumière ultraviolette à cause des molécules d’ozone, et largement opaque à la lumière infrarouge, essentiellement à cause de la vapeur d’eau.
La lumière est simplement redirigée par la diffusion dans une autre direction que celle dont elle provient. Ainsi, la lumière reçue par nos yeux provient d’une autre direction que celle de la source principale. Par exemple, la lumière que nous percevons au niveau de l’horizon est en fait celle du Soleil plusieurs fois diffusée.
La diffusion se produit pour toutes les longueurs d’onde, de façon plus ou moins importante, et c’est l’ensemble des molécules de l’air et des poussières en suspension qui en est responsable. On distingue différents types de diffusion selon la taille des diffuseurs relativement à la longueur d’onde de la lumière qui les frappe. La diffusion de Rayleigh est la diffusion de la lumière par des cibles de taille très inférieure à la longueur d’onde de cette lumière (des molécules typiquement). C’est elle qui sera l’objet de notre attention dans la suite de ce texte. Lord Rayleigh montra en 1873 que plus la longueur d’onde est courte (donc bleue), plus la lumière est diffusée (plus précisément, la probabilité de diffusion est inversement proportionnelle à la puissance quatrième de la longueur d’onde). La diffusion par les particules les plus grosses, de très grande taille devant la longueur d’onde, comme par exemple des gouttes d’eau qui constituent les nuages, de quelques millionièmes de mètre, ou des cristaux de glace de quelques dizaines de millionièmes de mètre, peut être expliquée par les lois de l’optique géométrique. Enfin, la diffusion par les particules plus petites, dont la taille est de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière, est plus délicate à étudier ; on parle alors de « diffusion de Mie ».

Atténuation par absorption ou par diffusion
Matériel : un rétroprojecteur éclairé par en dessous, trois ramequins en verre transparent, de l’encre de Chine, du talc.
Remplir les ramequins de la même quantité d’eau claire, verser quelques gouttes d’encre de Chine dans le premier puis mélanger doucement, un peu de poudre de talc dans le second et mélanger aussi, garder le troisième intact, comme témoin. Placer les trois récipients sur le rétroprojecteur et projeter leurs ombres sur un écran. L’ombre du récipient d’eau claire est facilement identifiable mais il est difficile de distinguer le récipient contenant de l’encre de celui contenant du talc (pour un meilleur effet, on ajustera la concentration d’encre de Chine de sorte que les ombres portées sur l’écran aient le même aspect). Pourtant, lorsque l’on regarde les ramequins sur le côté, l’un est très blanc, l’autre gris sombre. Que se passe-t-il ? Si les deux ramequins contenant de l’eau modifiée portent une ombre, c’est que leur contenu empêche la lumière de passer . Le ramequin d’eau claire sert de témoin pour montrer que c’est bien la présence d’encre ou de talc qui crée l’ombre sur l’écran. L’effet de l’encre de Chine semble facile à comprendre : elle absorbe le rayonnement de la lampe du rétroprojecteur. Une partie de l’énergie transportée par le faisceau lumineux est absorbée par les molécules qui constituent l’encre et est transformée en chaleur (la température de l’eau doit légèrement augmenter). L’intensité du faisceau lumineux qui atteint l’écran est donc réduite du fait de cette absorption. La poudre de talc, quant à elle, est obtenue à partir d’un minéral très finement broyé : les grains ont un rayon voisin de 10 millionièmes de mètre. Les grains de talc qui baignent dans l’eau jouent le rôle de petits réflecteurs qui renvoient la lumière incidente dans toutes les directions : ils diffusent la lumière. Le faisceau de lumière du rétroprojecteur est partiellement diffusé dans toutes les directions par le talc et seule une partie atteint l’écran. L’intensité du faisceau qui va de la lampe du rétroprojecteur à l’écran est donc réduite par diffusion.
Au final, les deux faisceaux sont atténués, l’un par absorption, l’autre par diffusion, et l’observateur qui regarde l’écran ne peut faire la distinction entre un milieu absorbant et un milieu diffusant.

L’épaisseur optique

Finalement, absorption et diffusion ont le même effet sur la lumière transmise à travers la matière : elles atténuent le faisceau lumineux et le milieu traversé apparaît plus ou moins opaque. On comprend aisément que l’opacité d’un milieu est d’autant plus grande que le nombre moyen de diffusions (ou d’absorptions) que peut subir la lumière est grand. Ce nombre dépend à la fois de l’« affinité » de la lumière pour les particules du milieu et du nombre de particules croisées par la lumière. L’affinité entre lumière et matière est caractérisée par la probabilité qu’une diffusion ou qu’une absorption se produise : une forte probabilité entraîne une grande capacité diffusante ou absorbante. Le nombre de particules rencontrées par la lumière dépend du produit de la densité de particules (nombre de particules par unité de volume) et de l’épaisseur du milieu traversé. Ainsi, les milieux dilués, comme les gaz, sont souvent moins opaques que les milieux denses, comme les liquides ou les solides. Quant à l’épaisseur, il est facile d’observer son effet. L’eau semble transparente quand elle remplit un verre. Pourtant, une nuit totale règne dans l’océan au-delà de quelques centaines de mètres de profondeur. Cela signifie que l’eau peut être totalement opaque pourvu que l’on en traverse une épaisseur suffisamment importante. À l’inverse, une feuille de métal assez fine, ayant une épaisseur de l’ordre du millionième de mètre, est partiellement transparente.
Finalement, les physiciens quantifient l’opacité d’un milieu par une grandeur appelée « épaisssseur optique » qui résume bien l’ensemble des paramètres (probabilité de diffusion/absorption, densité du milieu, épaisseur à traverser) et qui correspond au nombre moyen de diffusions/absorptions subies par la lumière. Dans l’expérience des ramequins, l’eau noircie et l’eau talquée avaient toutes deux une épaisseur optique importante, car la lumière transmise sur l’écran était assez faible. Vus de côté, les deux ramequins semblaient différents car dans celui contenant l’eau noircie, la lumière « manquante » était absorbée tandis que dans l’autre, rempli d’eau talquée, la lumière « manquante » était diffusée sur les côtés. Ainsi, un milieu fortement absorbant apparaîtra sombre quelle que soit la direction d’observation relativement à la direction de la source de lumière tandis qu’un milieu fortement diffusant apparaîtra sombre, dans la direction de la source, et brillant dans les autres directions. C’est ce qui explique que les nuages, dont les minuscules gouttelettes diffusent la lumière, apparaissent noirs vus par le dessous et blancs vus de côté. On fixe généralement, et un peu arbitrairement, la limite entre transparence et opacité à une épaisseur optique égale à 1, valeur pour laquelle le milieu transmet environ 37 % de la lumière incidente. Quand l’épaisseur optique est très petite devant 1, le nombre moyen de diffusions (ou d’absorptions) est très faible et le milieu est transparent. À l’inverse, un milieu opaque est caractérisé par un grand nombre moyen de diffusions ou d’absorptions et donc par une forte épaisseur optique. L’épaisseur optique de l’atmosphère varie d’environ 0,1 au zénith à près de 4 au voisinage de l’horizon.

Pourquoi le ciel est-il bleu ?

La lumière du Soleil contient toutes les longueurs d’onde, elle est très proche du blanc parfait. Cette lumière est filtrée et diffusée par l’atmosphère avant qu’elle atteigne le sol. Une première conséquence du phénomène de diffusion est que le ciel apparaît lumineux dans des directions différentes de celle du Soleil. Ensuite, nous avons vu que, selon la théorie de Rayleigh sur la diffusion moléculaire, la probabilité de diffusion de la lumière par une molécule de l’atmosphère est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de sa longueur d’onde : une lumière bleue de 450 nanomètres de longueur d’onde à 3,2 fois plus de chances d’être diffusée qu’une lumière rouge de 600 nm ((600/450)4 = 3,2). Ainsi, lorsque l’on regarde le ciel, on a plus de chances de voir de la lumière diffusée de couleur bleue que de couleur rouge. Le ciel apparaît donc bleu quand on regarde ailleurs que dans la direction du Soleil. Attention, il ne faut jamais regarder le Soleil directement, ni à l’oeil nu, ni à travers un objet sombre de récupération, type radiographie ou pellicule voilée, ni avec un instrument d’optique, type appareil photo, jumelles ou lunette, sous peine de graves lésions de la rétine pouvant aller jusqu’à la cécité totale. Pour observer le Soleil sans instrument d’astronomie, il faut s’équiper de lunettes en polymère noir telles qu’on en trouve parfois dans les magasins d’astronomie ou auprès des associations. Avec un instrument, l’observation directe doit se faire avec un filtre spécial que l’on ne trouve que dans les magasins spécialisés. On peut aussi projeter l’image du Soleil sur un écran avec un Solarscope, un instrument simple et sûr que l’on peut commander sur le site http://www.solarscope.com.

Qu’est-ce qui fixe la luminosité du ciel ? Pourquoi le ciel est-il blanc à l’horizon ?

La luminosité du ciel est exactement égale à la quantité de lumière diffusée dans la direction d’observation. Rappelons-nous que c’est le nombre moyen de diffusions, et donc le nombre de molécules qui se trouvent sur l’axe de visée, qui fixe la quantité de lumière diffusée : un point du ciel sera d’autant plus brillant que la direction dans laquelle il se trouve croisera de nombreuses molécules d’air. Ainsi, la luminosité du ciel dépend de l’épaisseur d’atmosphère traversée par la ligne de visée. Cette remarque explique que le ciel apparaisse plus foncé depuis le sommet d’une montagne ou depuis un avion volant à haute altitude que depuis le niveau de la mer. De même, à très haute altitude, dans une capsule spatiale par exemple, ou sur la Lune, le ciel apparaît noir car il n’y a plus aucune molécule pour diffuser la lumière du Soleil et éclaircir le ciel.
Ce phénomène peut aussi être observé au niveau de la mer car l’épaisseur que traverse la ligne de visée dépend de sa hauteur au-dessus de l’horizon. Ainsi, lorsque l’on regarde vers le zénith, l’épaisseur d’atmosphère traversée est minimale. Plus la ligne de visée descend vers l’horizon, plus l’épaisseur de la masse d’air qu’elle traverse augmente : l’épaisseur optique de l’air traversé en visant l’horizon est trente-huit fois supérieure à celle correspondant à une visée vers le zénith. Puisque l’épaisseur optique de l’atmosphère traversée est minimale au zénith, c’est dans cette région du ciel que le ciel apparaît le moins lumineux, ce que l’on constate facilement. De plus, le ciel devient de plus en plus lumineux quand on descend vers l’horizon. On constate aussi qu’il devient d’un bleu moins profond, et même quasiment blanc, à quelques degrés au-dessus de l’horizon. Ce phénomène résulte du fait qu’il y a alors suffisamment de molécules le long de la ligne de visée (les rayons lumineux traversent une épaisseur d’air plus importante) pour qu’il se produise de multiples diffusions. La lumière, quelle que soit sa longueur d’onde, va donc être diffusée et rediffusée de nombreuses fois. Ce mélange des couleurs donnera à l’atmosphère la couleur de la source : le blanc de la lumière solaire. Enfin, la couleur du ciel dépend aussi de nombreux autres paramètres, comme la teneur en aérosols variés (poussières, gouttelettes…), qui peuvent fluctuer au cours du temps.

Couleur et éclat du Soleil

Lorsque le Soleil se couche, sa couleur passe d’un blanc éblouissant à un jaune brillant, puis à l’orange et enfin à un rouge profond. Quand il est haut dans le ciel, la quantité de lumière enlevée à un faisceau de lumière solaire est petite car l’épaisseur optique de l’atmosphère est faible. Le Soleil apparaît alors quasiment de la même couleur que s’il était vu hors de l’atmosphère, c’est-à-dire blanc. Quand il est proche de l’horizon, sa lumière traverse une plus grande épaisseur d’atmosphère et une fraction significative est diffusée hors du faisceau. La lumière bleue étant plus facilement diffusée, le faisceau, appauvri en bleu, apparaît donc plus rouge qu’il ne l’était initialement. Le Soleil apparaît alors rouge-orangé. De plus, l’ozone de la haute atmosphère absorbe fortement le bleu et le vert, ce qui favorise encore l’impression de rougissement. Enfin, la présence de particules dans l’atmosphère (poussières, fumées, gouttelettes d’eau…) accentue encore ce rougissement : les couchers du Soleil sont d’un rouge intense vus depuis des villes fortement polluées. Les particules de diamètre inférieur à 100 nm sont des diffuseurs particulièrement efficaces et leur influence surpasse celle des molécules d’air. Ce rougissement intense peut aussi être observé lors d’éclipses totales de Lune.

La diffusion Rayleigh
Matériel : un grand récipient rectangulaire aux parois transparentes (un aquarium par exemple, sa longueur doit être d’au moins 30 à 40 cm) et rempli d’eau claire, du lait, un projecteur de diapositives ou toute source puissante de lumière – il faut que le spectre soit aussi riche en lumière bleue que possible, ce qui exclut par exemple les sources à filament dont la lumière est trop jaune (en général, les sources de lumière artificielles sont pauvres en bleu et si l’on s’en sert pour cette expérience, il sera donc difficile de conclure que le bleu est plus diffusé que le rouge !).
Disposer le projecteur de sorte que son faisceau lumineux traverse le récipient dans la plus grande longueur et se projette sur un écran distant de quelques mètres. Ajouter quelques gouttes de lait, mélanger et laisser reposer. Le faisceau lumineux devient immédiatement très visible quand il traverse l’eau lactée. La lumière ainsi diffusée est légèrement bleutée, le bleu étant plus prononcé près de l’endroit où le faisceau pénètre dans l’aquarium. Elle devient progressivement orangée près de la sortie et la tache lumineuse projetée sur l’écran est rouge-orangé. Les macromolécules du lait dilué dans l’eau sont des particules de petite taille comparées à la longueur d’onde de la lumière. La probabilité d’être diffusé est alors beaucoup plus grande pour un rayonnement de courte longueur d’onde (bleu) que pour un rayonnement de grande longueur d’onde (rouge). C’est ce que l’on observe dans cette expérience. L’eau lactée éclairée apparaît bleutée car elle diffuse fortement la lumière tandis que la lumière émergeant du récipient est sensiblement rougie car elle a perdu l’essentiel de sa composante bleue.