Couleur du ciel

Une partie du rayonnement électromagnétique émis par le soleil est réfléchie par l'atmosphère terrestre, y compris des rayonnements visibles.

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"Pourquoi la couleur du ciel est bleu durant le jour et rouge au leve et ... Effectivement, la lumière provenant du soleil est blanche par conséquent, ... (source : fr.answers.yahoo)

Une partie du rayonnement électromagnétique émis par le soleil est réfléchie par l'atmosphère terrestre, y compris des rayonnements visibles (lumière). Une autre partie pénètre cette atmosphère et la traverse, plus ou moins directement, jusqu'à atteindre l'œil d'un observateur. L'atmosphère terrestre diffuse les rayonnements provenant du soleil, d'autant plus que leur longueur d'onde est courte (ce qui correspond, ou dans le spectre visible, aux couleurs proches du violet).

Quand nous dirigeons notre regard vers le soleil ou au voisinage de ce dernier, nous percevons les rayonnements les plus directs : ce sont ceux de grande longueur d'onde (couleur tendant vers le rouge), moins diffusés par l'atmosphère.

Quand nous dirigeons notre regard ailleurs dans le ciel, nous percevons des rayonnements dont la trajectoire à partir du soleil est particulièrement indirecte : ce sont ceux de courte longueur d'onde (couleur tendant vers le violet), particulièrement diffusés par l'atmosphère.

La couleur du ciel est à l'origine de plusieurs noms de couleurs appartenant au champ chromatique bleu : bleu ciel, bleu céleste, bleu céruléen, etc.

Spectre visible

L'œil humain ne perçoit que la lumière dite, par définition, visible, dont la longueur d'onde est comprise entre celle du rouge, longue^[1], et celle du violet, courte^[2] : voir spectre électromagnétique.

Quand l'ensemble des fréquences sont présentes en proportion équivalente, on perçoit la lumière blanche du plein soleil. Mais les différentes fréquences ne réagissent pas de la même façon à plusieurs phénomènes.

Il en résulte que, selon la direction d'observation, la répartition en fréquence (le spectre) est différente et la couleur observée aussi.

↑ si on allonge toujours cette onde, et par conséquent qu'on diminue sa fréquence, on obtient de l'infrarouge
↑ si on raccourcit toujours cette onde, et par conséquent qu'on augmente sa fréquence, on obtient de l'ultraviolet

Effet de l'épaisseur de l'atmosphère

Coucher de soleil à Mimizan

L'effet de la dispersion sur la coloration du soleil est plus marqué près de l'horizon qu'au zénith : la lumière a alors un plus long trajet à travers l'atmosphère et rencontre par conséquent plus de particules.

Ainsi, la couleur du ciel est variable entre l'aurore et le crépuscule. Au lever (et au coucher) le soleil, près de l'horizon, semble rouge parce que la lumière bleue a été dispersée au loin et on ne voit plus que la lumière provenant directement du soleil.

Ciel au-dessus du mont Everest (en altitude)

Ciel au-dessus de Marseille (bord de mer)

De même, en altitude, où l'air est plus rare, la dispersion est nettement moins forte. On reçoit par conséquent plus de lumière directe, et nettement moins de lumière indirecte, diffusée par l'atmosphère : le ciel est moins lumineux, plus sombre, ce qui donne un bleu plus "profond".

Effets de la composition de l'atmosphère

La luminosité du ciel et la qualité de la lumière qu'il émet dépendent aussi de la composition de l'atmosphère et de la présence de particules en suspension. Les molécules de l'air diffusent en effet la lumière avec un effet sélectif, nommé effet Tyndall ou diffusion de Rayleigh, qui donne sa couleur bleue au ciel clair.

En réalité, la diffusion Rayleigh indique même que le ciel devrait être vu violet. De plus, la loi du corps noir affirme que le rayonnement du Soleil est plus important dans le domaine du violet (et plus toujours pour l'ultraviolet, mais l'ultraviolet est filtré par la couche d'ozone) que pour le bleu. Mais l'œil humain en vision photopique présente un pic de sensibilité autour du vert (longueur d'onde 555 nm), alors que la sensibilité au violet est 100 fois plus faible. Le "décalage vers le vert" conduit par conséquent à un ciel vu bleu.

La vapeur d'eau est un élément important de la luminosité. La vapeur d'eau fait que la coloration rouge du soleil (et le bleu du ciel) est plus importante le soir que le matin, et en bord de mer que dans le désert. Quand la quantité d'eau fait apparaître des gouttes (nuages, brouillard), elles absorbent et diffusent la lumière incidente ; peu nombreuses, leur effet est en particulier de diffusion et rend la voûte céleste plus lumineuse qu'un ciel clair (au détriment de la lumière directe) ; denses, c'est l'absorption qui prend le dessus et leur effet est d'assombrir le ciel.

Les particules en suspension dans l'air (poussières) jouent aussi un rôle notable : elles absorbent partiellement la lumière, diminuant la quantité globale d'énergie arrivant au sol ; elles la diffusent peut-être de façon sélective.

Explication

Sir John William Strutt Rayleigh a calculé l'intensité dispersée par des diffuseurs constitués de molécules dipôlaires bien plus petits que la longueur d'onde comme :

$I=I_0\cdot 8\piˆ4\cdot N\alphaˆ2\cdot \frac{1+\cosˆ2(\Theta)}{\lambdaˆ4\cdot Rˆ2}$

où

N est le nombre de particules
$λ$ est la longueur d'onde de la lumière incidente
$α$ est la polarisabilité
$Θ$ est l'angle entre l'onde incidente et l'observateur

Liens externes

Article d'un site collaboratif de vulgarisation de la connaissance par des moyens LIBRES
Pourquoi le ciel est-il bleu ? (traduction depuis Usenet Physics FAQ)
Pourquoi le ciel est-il bleu et le Soleil couchant rouge ? (webzine des sciences et techniques)
Pourquoi le ciel est-il bleu ? : réponse sur un site d'enseignement des sciences physiques et informatique, de Bruno Brolis.
Pourquoi le ciel est bleu ? : une vidéo explicative.
Ciel bleu et rayon vert sur le site Luxorion.

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