Pourquoi le ciel est bleu, et rouge au coucher du soleil

C’est la question que tous les enfants finissent par poser, et beaucoup d’adultes seraient bien en peine d’y répondre sans bafouiller. La lumière du Soleil est blanche, l’air que nous respirons est incolore, et pourtant le ciel est bleu à midi, orangé au couchant, noir sur la Lune. Tout cela s’explique par un seul phénomène, la diffusion de la lumière par les molécules de l’air. En quelques minutes de lecture, vous saurez l’expliquer à votre tour, et comprendre au passage pourquoi les nuages sont blancs.

La lumière blanche contient toutes les couleurs

Premier ingrédient : la lumière du Soleil n’est pas « blanche » au sens d’une couleur unique. C’est un mélange de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, que l’on peut séparer avec un prisme ou, plus simplement, en regardant les reflets d’un CD. Chaque couleur correspond à une onde de longueur différente : environ 450 milliardièmes de mètre (nanomètres) pour le bleu, 700 pour le rouge, rappelle la fondation La main à la pâte dans son dossier sur les couleurs du ciel.

Deuxième ingrédient : l’atmosphère. Elle est faite pour l’essentiel de molécules d’azote et d’oxygène, deux éléments voisins dans le tableau périodique des éléments. Ces molécules sont minuscules, des milliers de fois plus petites que la longueur d’onde de la lumière visible. Et c’est précisément cette petitesse qui fait tout.

Les molécules de l’air renvoient surtout le bleu

Quand la lumière du Soleil traverse l’air, la plupart des rayons poursuivent leur route en ligne droite. Mais une petite partie rencontre des molécules et se trouve renvoyée dans toutes les directions : c’est la diffusion. Pour des obstacles beaucoup plus petits que la longueur d’onde, comme les molécules d’air, cette diffusion n’est pas la même pour toutes les couleurs. L’Institut royal météorologique de Belgique le résume ainsi : les molécules d’azote et d’oxygène diffusent nettement mieux les courtes longueurs d’onde, le violet et le bleu, que les longues, le rouge et l’orange.

Le physicien britannique Lord Rayleigh a donné la loi de ce phénomène dans les années 1870, et il porte depuis son nom. La probabilité qu’une onde soit diffusée varie comme l’inverse de la puissance quatrième de sa longueur d’onde. Dit autrement, un petit écart de couleur produit un grand écart de diffusion : selon le calcul de La main à la pâte, une lumière bleue de 450 nanomètres a environ 3,2 fois plus de chances d’être diffusée qu’une lumière rouge de 600 nanomètres.

Résultat : levez les yeux vers n’importe quel point du ciel qui n’est pas le Soleil, et la lumière qui vous parvient de là est de la lumière solaire qui a été détournée vers vous par les molécules d’air. Comme le bleu est bien plus souvent détourné que le rouge, c’est lui qui domine. Le ciel n’est pas bleu parce que l’air est bleu, mais parce que l’air trie la lumière.

Et le violet, alors ?

Si les courtes longueurs d’onde sont les plus diffusées, le violet devrait l’emporter sur le bleu. Trois raisons expliquent qu’il n’en soit rien. La lumière solaire qui nous arrive contient moins de violet que de bleu. Une partie du violet et de l’ultraviolet est absorbée en altitude, notamment par l’ozone. Enfin, et c’est l’argument décisif selon l’IRM, notre œil est bien plus sensible au bleu qu’au violet. Le mélange de couleurs diffusées, interprété par notre vision, donne ce bleu clair que nous connaissons.

Pourquoi le soleil couchant est rouge

Le même mécanisme explique, à l’inverse, les couleurs du soir. Quand le Soleil est haut, sa lumière traverse une faible épaisseur d’air avant de nous atteindre, et il paraît presque blanc. Quand il approche de l’horizon, ses rayons arrivent en rasant la surface d’une Terre courbe, et traversent une couche d’atmosphère beaucoup plus épaisse. Le dossier de La main à la pâte donne l’ordre de grandeur : l’épaisseur optique de l’atmosphère passe d’environ 0,1 au zénith à près de 4 au voisinage de l’horizon. Cette géométrie est d’ailleurs l’un des témoins de la courbure du globe, une idée plus ancienne qu’on ne le croit, comme le montre l’histoire de ceux qui ont découvert que la Terre est ronde.

Sur ce long trajet, le bleu est diffusé hors du faisceau bien avant d’arriver jusqu’à vous. Ce qui reste, c’est une lumière appauvrie en bleu, donc jaune, orange puis rouge à mesure que le Soleil descend. Les poussières, les fumées et les fines gouttelettes renforcent l’effet : les couchers de soleil sont souvent plus flamboyants par temps chargé ou après un épisode de fumées.

Ce rougissement a une déclinaison spectaculaire, visible quelques fois par décennie depuis la France : lors d’une éclipse totale de Lune, la seule lumière qui atteint encore notre satellite a traversé l’atmosphère terrestre en rasant ses bords, et lui donne une teinte cuivrée. Nous l’expliquons en détail avec les phases de la Lune et ses éclipses.

Les nuages blancs, le ciel noir de la Lune

Pourquoi les nuages, eux, sont-ils blancs ? Parce que leurs gouttelettes mesurent quelques millièmes de millimètre : elles sont bien plus grosses que la longueur d’onde de la lumière et diffusent toutes les couleurs à peu près de la même façon. Le mélange reste blanc. Un nuage très épais paraît gris sombre vu d’en dessous, simplement parce que la lumière a été renvoyée vers le haut et sur les côtés avant d’atteindre sa base.

Et sans air, pas de ciel bleu du tout. Plus on monte, plus le ciel fonce : il est d’un bleu plus profond au sommet d’une montagne ou depuis le hublot d’un avion de ligne. Sur la Lune, qui n’a pas d’atmosphère, il n’y a aucune molécule pour diffuser la lumière : le ciel y est noir en plein jour, et les étoiles restent visibles à côté d’un Soleil éclatant. La NASA rappelle au passage que le ciel de Mars, dont l’atmosphère très ténue de gaz carbonique est chargée de fines poussières, inverse nos couleurs : orangé le jour, bleu-gris autour du Soleil couchant.

La prochaine fois que vous regarderez un coucher de soleil, tournez-vous aussi vers l’est : juste au-dessus de l’horizon opposé, une bande rosée surmonte une zone bleu-gris qui monte peu à peu. Cette zone sombre est l’ombre de la Terre elle-même, projetée sur l’atmosphère. Un seul avertissement, qui ne souffre pas d’exception : n’observez jamais le Soleil directement, ni à l’œil nu ni avec des jumelles, même quand il paraît rouge et affaibli à l’horizon.