Couleur du ciel

Cet article explique les phénomènes physiques à l'origine des couleurs du ciel.

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.

Lorsque nous dirigeons notre regard vers le soleil ou au voisinage de celui-ci, 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.

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

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

Lorsque toutes les 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 comme :

• l'absorption ;
• la réfraction ;
• la réflexion ;
• la dispersion ;
• la diffusion.

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

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 donc 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 l'on ne voit plus que la lumière provenant directement du soleil.

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

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, appelé effet Tyndall ou diffusion de Rayleigh, qui donne sa couleur bleue au ciel clair.

En fait, 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 encore 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), tandis que la sensibilité au violet est 100 fois plus faible. Le "décalage vers le vert" conduit donc 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. Lorsque la quantité d'eau fait apparaître des gouttes (nuages, brouillard), elles absorbent et diffusent la lumière incidente ; peu nombreuses, leur effet est surtout 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 éventuellement de façon sélective.

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

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

La dépendance de l'intensité diffusée en puissance 4 de l'inverse de la longueur d'onde permet d'expliquer simplement la couleur du ciel. Les longueurs d'onde faibles du spectre visible (le bleu) sont plus diffusées que les fortes (le rouge), et dans une configuration de jour où le soleil est environ à son zénith, l'ensemble de l'atmosphère diffuse la couleur bleue plus fortement que le rouge, qui nous arrive donc plus facilement indirectement. Par contre, le soir ou le matin, la lumière nous arrivant du soleil est plus direct, l'effet inverse se produit : la forte couche d'atmosphère traversée diffuse fortement le bleu qui est donc absent du spectre solaire qui arrive à nos yeux lorsque l'on regarde l'horizon, d'où la couleur rouge orange.