Pourquoi le ciel est bleu ?

Il y a des questions qu’on se pose peu, car pour nous le ciel est bleu depuis que nous sommes tout petit et cela n’a pas changé. C’est joli sur les photos. Mais pourquoi est-il bleu et pas, par exemple, vert ? En essayant de rester accessible, voici l’explication.

Burkina Faso

De 1997 à 1999, j’étais au Burkina Faso (à coté de la Côte d’Ivoire) essentiellement dans la capitale Ouagadougou. Une chose m’a surpris : le ciel est rarement bleu, mais plutôt gris-bleu. La pollution de la capitale a un effet fort, mais lors de mes déplacements dans les autres régions, ce ciel gris-bleu dominait.

Ciel noir

Le bleu du ciel est une étrangeté de la terre car les photos prises depuis l’espace montrent invariablement un ciel noir et un soleil blanc.

Atmosphère

La différence avec l’espace est que la terre est entourée d’une atmosphère, composée essentiellement de molécules de gaz et de quelques poussières.

Multicolore

La lumière du soleil est composée de toute la gamme des rayonnements, de l’ultraviolet lointain comme les rayons gamma aux ondes radio en passant par la lumière visible. L’œil humain n’en voit qu’une partie (des insectes peuvent voir l’infrarouge), pour simplifier du bleu-violet au rouge. La longueur d’onde allant de 380 à 780 nm.

Obstacles

En rentrant dans l’atmosphère, les rayons lumineux vont rencontrer les molécules de gaz (environ 80% d’azote, 20% d’oxygène et des traces d’autres gaz) et poussières sur son chemin rectiligne. Autant d’obstacles. Il y a une absorption puis diffusion, mais différente selon la longueur d’onde de la lumière (couleur).

Rayleigh

 

Chaque particule dans l’atmosphère est un obstacle pour le rayonnement solaire : la lumière est diffusée (éparpillée) dans toutes les directions. Il existe deux mécanismes de diffusion : l’un est issu de la nature ondulatoire du rayonnement solaire, l’autre à la réfraction des rayons, liée à l’optique géométrique.

Si le ciel est bleu c’est en raison de la diffusion de Rayleigh (du nom du physicien John William Strutt, plus connu sous son titre lord Rayleigh, Anglais du 19e siècle, qui a fait cette découverte). Elle caractérise la diffusion de la lumière par les particules dont le rayon est très petit par rapport à la longueur d’onde du rayonnement solaire. L’intensité diffusée est, d’après Rayleigh, inversement proportionnelle à la longueur d’onde (d’un facteur à la puissance quatre). Plus le rayonnement est de petite longueur d’onde, plus il est diffusé. Ainsi, comme la lumière est blanche, le bleu (d’une longueur d’onde de 400 nm) sera beaucoup plus diffusé (8 fois plus) dans l’atmosphère que le rouge (d’une longueur d’onde de 800 nm).

En regardant le ciel, on voit l’ensemble de ces rayons diffusés, surtout les bleus. Donc le ciel est bleu.

Haute altitude

En haute altitude, le bleu est plus foncé qu’au bord de la mer où il est plus clair. L’explication est qu’en basse altitude, la lumière a rencontré plus de particules et donc a été plus diffusée. Le jaune prédomine, ce qui donne un bleu pâle.. Donc en montagne c’est du bleu foncé. Mon vécu au Burkina Faso s’explique désormais.

Et pourquoi les nuages sont blancs alors ?

Les molécules suffisamment petites pour permettre le mécanisme de Rayleigh sont les molécules de l’air. Majoritaires dans l’atmosphère, c’est donc à elles que l’on doit la dominance du bleu dans le ciel. Toutefois, en présence de gouttes d’eau ou d’aérosols (particules plus grosses), la diffusion de Rayleigh n’est plus valide. Dans ce cas, c’est la diffusion de Mie (physicien allemand Gustav Mie du 19e siècle) qui est valide. Celle-ci prouve que pour ces dimensions de molécules, la lumière diffusée conserve les caractéristiques spectrales de la lumière incidente. C’est la raison pour laquelle les nuages sont blancs.