Lève les yeux : bleu. Pourtant, personne n'a repeint le ciel ce matin, et l'air d'un bocal est parfaitement transparent. Alors d'où sort ce bleu, et pourquoi tourne-t-il à l'orange chaque soir, pile à l'heure des photos pour les réseaux ? Spoiler : l'air a un chouchou parmi les couleurs.
La lumière blanche, un smoothie de couleurs
Imagine ton petit frère qui te demande : « Pourquoi le ciel est bleu ? » Réponse réflexe : « Parce qu'il reflète la mer. » Raté, on y reviendra. D'abord, regardons la lumière du Soleil de plus près.
Elle a l'air blanche, mais c'est un mélange de toutes les couleurs, comme un smoothie où l'on ne distingue plus les fruits. Isaac Newton l'a montré dans les années 1660 : un simple prisme suffit à « démixer » le smoothie et à étaler les couleurs, du violet au rouge.
Pour un physicien, chaque couleur correspond à une longueur d'onde, notée λ (« lambda »). La lumière visible va d'environ 400 nanomètres (violet) à 800 nanomètres (rouge), avec le bleu vers 450 nm. Un nanomètre, c'est un milliardième de mètre : la longueur d'onde de la lumière est plus de cent fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu.
Pour voir ça bouger : l'animation du prisme.
L'air, un flipper qui a un chouchou
L'air est surtout fait de molécules de diazote et de dioxygène, minuscules : environ 0,3 nanomètre, plus de mille fois plus petites que la longueur d'onde de la lumière. Quand la lumière passe, elle fait vibrer les électrons de ces molécules, qui renvoient aussitôt de la lumière dans toutes les directions. C'est la diffusion : la lumière n'est pas détruite, elle est déviée, comme une bille de flipper renvoyée n'importe où.
Mais l'air ne traite pas toutes les couleurs de la même façon. En 1871, le Britannique John William Strutt, futur Lord Rayleigh, trouve la règle du jeu : pour des particules beaucoup plus petites que la longueur d'onde, la lumière diffusée varie comme l'inverse de λ puissance 4.
Idiffusée ∝ 1 / λ4
Le symbole ∝ veut dire « proportionnel à ». Traduction : plus la longueur d'onde est courte, plus la couleur est diffusée, et la puissance 4 creuse l'écart. Le rouge (700 nm) a une longueur d'onde à peine 1,56 fois plus grande que le bleu (450 nm) ; à la puissance 4, cela donne près de 6 : le bleu est diffusé environ 6 fois plus que le rouge. Le chouchou, c'est lui.
À midi, le ciel devient une lampe bleue géante
En plein jour, le rouge, l'orange et le jaune filent pour la plupart tout droit jusqu'au sol. Le bleu, lui, est sans cesse renvoyé dans tous les sens. Résultat : où que tu regardes (sauf vers le Soleil, qu'on ne fixe jamais !), tu reçois de la lumière diffusée, riche en bleu. Le ciel entier se transforme en une immense lampe bleue. Le Soleil, lui, paraît légèrement jaune, car on lui a « volé » un peu de bleu en chemin ; vu de l'espace, il est blanc.
Et les nuages ? Leurs gouttelettes, bien plus grosses, renvoient toutes les couleurs à peu près autant : mélangées, elles donnent… du blanc. Le smoothie, encore lui.
Le soir, le bleu se perd en route
Au coucher, le Soleil est bas sur l'horizon. Sa lumière rase la Terre et traverse une épaisseur d'air bien plus grande. Quand le Soleil touche l'horizon, elle traverse environ 38 fois plus d'air que lorsqu'il est pile au-dessus de ta tête.
Pendant ce marathon, le bleu est diffusé hors du faisceau encore et encore, comme un voyageur qui perd une valise à chaque correspondance. À l'arrivée, il ne reste presque plus que l'orange et le rouge, qui colorent le Soleil et les nuages.
Et pourquoi pas violet ?
Excellente question, digne d'un contrôle surprise. Le violet a une longueur d'onde encore plus courte que le bleu : il devrait être encore plus diffusé. Seulement, le Soleil émet moins de violet que de bleu, et notre œil est franchement mauvais pour le voir. Enfin, la lumière du ciel est un mélange (un peu de violet, beaucoup de bleu, du vert…) et le cerveau traduit le tout en « bleu ciel ». Tu retrouveras tout ça dans le chapitre « Images et couleurs » de physique-chimie de Première spécialité.
Sur Mars, tout est à l'envers
Sur la planète rouge, l'air est si peu dense que la pression au sol vaut moins de 1 % de celle de la Terre : la diffusion par les molécules y est faible. En revanche, l'air martien est chargé de fines poussières riches en oxydes de fer (de la rouille, en somme), de l'ordre du micromètre. Elles renvoient surtout les teintes chaudes : en journée, le ciel de Mars est couleur caramel.
Et au coucher du soleil ? Ces mêmes poussières renvoient le bleu surtout vers l'avant, c'est-à-dire tout autour de la direction du Soleil : un halo bleuté entoure le Soleil couchant. Le rover Curiosity de la NASA en a photographié un le 15 avril 2015, depuis le cratère Gale. Ces grains sont trop gros pour la règle de Rayleigh, mais la morale tient : la couleur d'un ciel dépend de la taille de ce qui diffuse la lumière.
Si tu ne retiens qu'une chose
L'air renvoie le bleu dans tous les sens bien plus que le rouge : le ciel devient une lampe bleue à midi, et le soir, le bleu s'est perdu en route, il ne reste que l'orange.
Pour aller plus loin
- NASA Space Place : Why is the sky blue? (en anglais)
- Wikipédia : la diffusion Rayleigh
- NASA : le coucher de soleil bleu photographié par Curiosity sur Mars (en anglais)
- Cours et exercices corrigés de physique-chimie : Seconde et Première spécialité.
Soufiane ISMAILI ALAOUI — ingénieur diplômé de l'INSA Lyon, passé par les classes préparatoires MP, professeur de mathématiques et de physique-chimie. Il donne des cours particuliers à domicile en Île-de-France et en ligne. Découvrir son parcours
