OPUS : Physique 534 : Compléments : Les couleurs du ciel

Sans l'atmosphère, notre ciel serait parfaitement noir, avec une multitude d'étoiles, même de jour. C'est grâce à la diffusion de la lumière dans l'air que notre ciel est lumineux de jour.

Par une nuit humide, il est parfois possible de voir un dôme lumineux au-dessus d'une ville. La lumière produite par la ville est diffusée par les molécules d'eau et la pollution atmosphérique, rendant le ciel assez lumineux pour masquer la plupart des étoiles. Enfin, si nous n'y voyons rien par temps brumeux, c'est à cause de la diffusion de la lumière ambiante par les molécules d'eau en suspension dans l'air.

Qu'est-ce que la diffusion?

La diffusion se produit lorsque la lumière rencontre des particules ou des imperfections microscopiques en traversant un milieu transparent. Dans l'atmosphère, les molécules mêmes de l'air peuvent diffuser la lumière. Dans le cas des particules qui sont grandes par rapport à la longueur d'onde de la lumière incidente, la lumière est diffusée uniquement par réflexion à la surface de la particule. Ce type de diffusion affectera toutes les longueurs d'onde de la lumière sensiblement de la même façon.

Diffusion d'un pinceau de lumière blanche par de grosses particules en suspension dans l'air. Toutes les composantes de la lumière blanche sont diffusées de la même façon.

Dans le cas des particules très petites, il en va autrement. Il peut alors y avoir une interaction directe entre la particule et la lumière. La lumière incidente n'est donc plus seulement réfléchie par la particule, elle peut être absorbée et réémise dans une autre direction par celle-ci. Aussi, lorsque la lumière réémise est de même longueur d'onde que la lumière absorbée, on parle de diffusion élastique ou de Rayleigh. L'effet de ce type de diffusion dépend fortement de la longueur d'onde du rayonnement incident. Plus la longueur d'onde est petite, plus la diffusion est importante. En fait, dans l'atmosphère terrestre, le bleu est diffusé jusqu'à huit fois plus que le rouge.

Diffusion d'un pinceau de lumière blanche par des molécules de dioxygène. Le rouge et le vert sont peu diffusés par les molécules de dioxygène alors que le bleu l'est beaucoup.

C'est aussi grâce au phénomène de diffusion de la lumière que nous pouvons voir le ciel bleu le jour et les couchers de soleil rouges. Le Soleil émet une lumière pratiquement blanche. Cependant, en traversant l'atmosphère terrestre, cette lumière est diffusée par l'air et les poussières qu'il contient. Les composantes de plus courte longueur d'onde de la lumière blanche, comme le violet et le bleu, sont les premières à être diffusées. Ainsi, le ciel est complètement éclairé de bleu, alors que les autres couleurs nous arrivent presque directement du Soleil. Puisque le bleu a été retiré de la lumière du Soleil, celui-ci nous apparaît légèrement jaune.

Lorsque le Soleil est bas sur l'horizon, sa lumière traverse une plus grande couche d'air. Les composantes verte et jaune de la lumière se trouvent alors diffusées à leur tour. Il ne reste plus que l'orangé et le rouge qui nous proviennent directement du Soleil, qui nous apparaît alors rouge. S'il y a une grande quantité de poussière dans l'air, comme c'est le cas peu de temps après une éruption volcanique majeure, la couleur rouge sera encore plus marquée et foncée.

Le phénomène de diffusion de la lumière permet aussi d'expliquer pourquoi la Lune ne disparaît pas complètement lors d'une éclipse lunaire totale. En effet, elle prend souvent une teinte légèrement cuivrée, parfois carrément rouge, lors d'un tel événement. Là encore, si la Terre ne possédait pas d'atmosphère, il n'y aurait pas ces magnifiques couleurs.

Lors d'une éclipse de lune, notre satellite passe dans l'ombre de la Terre. Aucune lumière ne devrait donc y parvenir. Cependant, la lumière du soleil passe à travers l'atmosphère et y subit de la diffusion de même que de la réfraction. Les composantes de courtes longueurs d'onde de la lumière du Soleil sont alors diffusées dans l'atmosphère, laissant finalement passer un peu de lumière rouge. L'atmosphère joue aussi le rôle d'une lentille, puisqu'elle dévie une partie de cette lumière rouge vers le cône d'ombre de la Terre, éclairant du coup la Lune d'une faible lueur rougeâtre.

Déviation de la composante rouge de la lumière du Soleil par l'atmosphère pendant une éclipse lunaire.