Pourquoi les nuages sont blancs, et parfois gris ou roses

Un verre d’eau est transparent, une goutte de pluie aussi. Un nuage n’est rien d’autre qu’un immense amas de gouttelettes d’eau, et pourtant il éclate de blancheur au soleil, au point d’éblouir. Quelques minutes plus tard, le même nuage peut paraître gris ardoise, puis rose au couchant. Ces trois couleurs ont une seule explication, qui tient à la taille des gouttelettes et au trajet de la lumière dans le nuage. La voici, avec de quoi la vérifier en regardant le ciel.

Des gouttes trop grosses pour trier les couleurs

Nous avons vu, en expliquant pourquoi le ciel est bleu, que les molécules d’air diffusent beaucoup mieux le bleu que le rouge. Elles le peuvent parce qu’elles sont des milliers de fois plus petites que la longueur d’onde de la lumière. Les gouttelettes d’un nuage sont dans la situation inverse : d’après le dossier de la fondation La main à la pâte sur les couleurs du ciel, elles mesurent quelques millionièmes de mètre, bien plus que la longueur d’onde du visible, comprise entre 0,4 et 0,7 millionième de mètre environ.

Pour des objets de cette taille, la règle de Rayleigh ne s’applique plus. La diffusion par des sphères de taille comparable ou supérieure à la longueur d’onde a été décrite en 1908 par le physicien allemand Gustav Mie, et elle porte son nom. Sa conclusion, pour des gouttelettes de nuage, est sans appel : toutes les couleurs sont renvoyées à peu près de la même façon. Aucune n’est favorisée, le mélange reste celui de la lumière du Soleil, c’est-à-dire blanc.

Le blanc, couleur de la lumière qui a rebondi mille fois

La taille des gouttes n’explique pas tout. Une gouttelette isolée dévie la lumière sans la colorer, mais elle en laisse passer la plus grande partie. Ce qui rend le nuage si lumineux, c’est leur nombre. Un rayon qui entre dans un nuage rencontre une gouttelette, puis une autre, puis des dizaines d’autres, changeant de direction à chaque fois. Il finit par ressortir n’importe où, et le nuage renvoie la lumière dans toutes les directions, y compris vers vous.

C’est le même phénomène qui rend blancs la neige, le sucre en poudre ou la mousse d’un savon, alors que la glace ou l’eau sont transparentes. Dès qu’une matière transparente est divisée en une multitude de petits éléments, la lumière s’y égare et en ressort blanche. La main à la pâte en propose une démonstration simple : un ramequin d’eau où l’on a délayé un peu de talc, dont les grains mesurent environ dix millionièmes de mètre, paraît blanc vu de côté, alors qu’un ramequin d’eau teintée à l’encre de Chine paraît noir.

Pourquoi certains nuages sont gris, voire noirs

Cette même expérience explique les nuages sombres. Posés sur une source de lumière, les deux ramequins projettent une ombre semblable : l’encre absorbe la lumière, le talc la renvoie sur les côtés, mais dans les deux cas elle ne traverse plus. Un milieu qui diffuse fortement, conclut La main à la pâte, paraît sombre dans la direction de la source et brillant dans les autres : c’est pourquoi les nuages apparaissent noirs vus par-dessous et blancs vus de côté.

Les physiciens mesurent cette opacité par l’« épaisseur optique ». Quand elle vaut 1, le milieu ne transmet plus qu’environ 37 % de la lumière qui y entre ; un nuage épais la dépasse de très loin. Sa base ne reçoit donc qu’une faible part de la lumière, qui a été renvoyée vers le haut et sur les côtés. Notre œil accentue encore l’effet : à côté d’un ciel lumineux, un gris moyen paraît presque noir. Le nuage d’orage n’est pas fait d’une eau plus sale, il est simplement plus épais.

Nuages roses, bords d’argent

Au coucher du soleil, les nuages se teintent d’orange et de rose. Ce ne sont pas eux qui changent : ils renvoient fidèlement la lumière qu’ils reçoivent, et celle-ci a traversé une si grande épaisseur d’air que le bleu en a été ôté. Le nuage sert d’écran à la couleur du couchant.

Autre spectacle à guetter : un nuage placé devant le Soleil voilé s’entoure d’un liseré éclatant. Les gouttelettes renvoient en effet la lumière surtout vers l’avant, dans la direction où elle allait déjà, et le bord mince du nuage, traversé de part en part, brille davantage que son cœur. La théorie de Mie décrit aussi les couronnes irisées qui entourent parfois le Soleil ou la Lune derrière un voile nuageux fin, et, pour de plus grosses gouttes, l’arc-en-ciel. Et c’est en partie la blancheur des nuages, vue depuis la Lune, qui éclaire faiblement sa partie nocturne à l’approche de la nouvelle Lune, cette lumière cendrée que décrivent les phases de la Lune.

Au prochain ciel de traîne, observez un même nuage en changeant de point de vue : blanc là où le Soleil le frappe, gris là où il fait écran, lumineux sur les bords. Seule règle absolue : ne regardez jamais directement le Soleil, même à travers un nuage qui semble l’atténuer.