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Le ciel est-il bleu ou noir ?

Le site du Mauna Kea (Hawaï), culminant à 4200 m, avec les télescopes, de gauche à droite : Gemini Nord, Keck 1 & 2, IRTF, CFHT, Subaru... sur un fond de ciel d'autant plus bleu que l'on est en altitude, dans l'un des meilleurs sites d'observation astronomique

Crédit : CFHT

Le ciel lunaire est noir, celui de la Terre apparaît bleu (entre les nuages)

Crédit : NASA

La comparaison du ciel terrestre et du ciel lunaire montre dans un cas une couleur bleutée, dans l'autre un ciel noir. Il s'agit du même ciel... vu dans des conditions différentes.

Sur Terre l'atmosphère diffuse la lumière solaire, préférentiellement dans les courtes longueurs d'onde. S'il fait beau : le ciel est bleu. En revanche sur la Lune, sans atmosphère, le ciel apparaît noir.

Pour les amoureux

Plus le soleil est bas sur l'horizon, plus il apparaît rouge (c'est valable pour la Lune aussi). Par projection, plus le chemin optique est long, plus la diffusion Rayleigh retire du rayonnement incident les composantes bleues, plus par complémentarité le soleil apparaît rouge.

Coucher de soleil sur l'Océan Pacifique, à Hawaï

Crédit : CFHT

Et les nuages

Les nuages, ou toute autre condensation, apparaissent le plus souvent blancheâtres. Les particules liquides en suspension écrantent toutes les longueurs d'onde visible, sans distinction de couleur.

Alto cumulus dans les Pyrénées.

Crédit : Météo France

La diffusion Rayleigh

Toute charge accélérée rayonne de l'énergie. Un électron, élastiquement lié à son noyau, va réagir au champ électrique d'un rayonnement incident, et rayonner en conséquence.

Le moment électrique associé à l'électron va réagir au champ électrique, de pulsation $\omega$ . On montre que le champ électrique induit varie comme $\ddot p$ , et donc comme $\omega^2$ . La puissance rayonnée varie elle comme le carré du champ électrique, et donc comme $\omega^4$ .

Les limites du modèle

Ce qui précède n'est valable que pour les particules diffusantes très petites devant la longueur d'onde. De plus grosses particules bloquent uniformément toutes les couleurs, et donnent un aspect blanchâtre au milieu : tel un nuage dans l'atmosphère terrestre (d'apparence grise si vraiment beaucoup de lumière est interceptée).

Extinction atmosphérique moyenne au niveau de la mer et au télescope CFH (4200 m d'altitude), et diffusion Rayleigh évoluant comme l'inverse de la puissance quatrième de la longueur d'onde. La part d'absorption des poussières, de taille non négligeable devant la longueur d'onde, explique le surcroît d'absorption aux grandes longueurs d'onde visibles.

Crédit : ASM

Pourquoi le ciel est bleu

La diffusion Rayleigh varie donc comme $\lambda^{-4}$ . Elle est bien plus forte dans le bleu, à 400 nm, que dans le rouge à 650 nm. Ceci explique pourquoi le ciel est bleu, et le soleil rouge au couchant : les molécules de l'atmosphère éclairée en lumière blanche diffusent préférentiellement la lumière bleue ; cette composante, ôtée du rayonnement solaire incident, le rougit d'autant plus que l'épaisseur d'atmosphère traversée est importante.

Compléments

Introduction

Diffusion Rayleigh ; diffusion de Mie