Pourquoi le ciel est bleu ?
La question peut paraître incongrue mais, si l’on y réfléchit bien, elle est tout à fait pertinente. Le Soleil n’est qu’une étoile parmi tant d’autres et qui nous paraît plus grosse parce qu’elle est beaucoup plus proche. Dès lors, pourquoi ne nous apparaît-il pas comme une grosse étoile dans un ciel d’un noir d’encre ? C’est d’ailleurs comme cela que les astronautes des missions Apollo l’ont vu depuis la Lune…
Le phénomène physique auquel nous devons le bleu du ciel s’appelle la diffusion de Rayleigh, du nom du physicien John Rayleigh qui l’a découvert et étudié. C’est un mode de diffusion des ondes électromagnétiques dit élastique (sans absorption d’énergie) par les molécules de l’air, principalement les molécules O2 et N2 (oxygène et azote). Les rayons lumineux du Soleil qui baignent ces molécules font résonner la liaison covalente entre les atomes qui les constituent. Cette oscillation diffuse la lumière incidente dans toutes les directions.
L’effet de la diffusion de Rayleigh n’est pas le même à toutes les fréquences. Son amplitude est proportionnelle à la fréquence des ondes incidentes à la puissance 4. Autrement dit, elle est 16 fois plus élevée pour la lumière bleue que pour la lumière rouge ! C’est la raison pour laquelle le ciel nous gratifie de cette lumière bleutée quelle que soit la direction dans lequel nous regardons : les molécules d’oxygène et d’azote de l’air renvoient vers nous une partie des “rayons bleus” qu’ils diffusent. Sauf bien sûr lorsque nous regardons dans la direction du Soleil. Dans ce cas c’est l’effet inverse qui prévaut : la diffusion de la lumière bleue appauvrit le spectre qui nous parvient. Ce deuxième effet reste cependant peu sensible dans la journée. Le rayonnement direct qui nous parvient a subi assez peu de diffusion.
Au crépuscule ce deuxième phénomène est au contraire très marqué. Comme le Soleil est très bas sur l’horizon, les rayons lumineux doivent parcourir une distance beaucoup plus grande dans l’atmosphère. Cette fois, l’éclairage direct (les rayons qui nous parviennent de l’Ouest) est très pauvre en teintes bleutées. Le Soleil est rougeoyant et il pare les nuages de nuances orangées du plus bel effet !
La diffusion de Rayleigh se combine avec la réfraction des rayons du Soleil. La réfraction des rayons lumineux intervient lorsque ceux-ci traversent des milieux d’indice différent, ce qui est bien sûr le cas du rayonnement solaire qui traverse toutes les couches de l’atmosphère. La déviation induite par la réfraction dépend fortement de la hauteur du Soleil dans le ciel. Elle est nulle au zénith (ce qui ne se produit jamais sous nos latitudes). A 60 degrés, la hauteur du Soleil à midi à Paris en été, elle est de 34’’. Elle passe à 1’41’’ lorsqu’il est à 30 degrés. Lorsque l’on s’approche de l’horizon, la déviation dépasse les 30’ d’angle… ce qui est justement la dimension apparente du Soleil ! Autrement dit, le Soleil est encore visible alors qu’il a disparu derrière l’horizon…
Une fois que le disque solaire a disparu derrière l’horizon, le ciel ne s’assombrit pas aussitôt. Ses rayons « canalisés par l’atmosphère » continuent d’éclairer les molécules de l’air. Si on regarde en direction de l’horizon, ce sont les teintes rouges qui dominent. En effet, le rayonnement direct est dépouillé des rayons bleus par diffusion de Rayleigh. Si on dirige son regard plus haut dans le ciel, celui-ci vire au bleu. Cette fois, ce sont les rayons bleus diffusés par les molécules de l’air qui nous parviennent.
