Pourquoi le ciel est-il bleu en journée ?

Le ciel paraît bleu en journée parce que la lumière du Soleil est diffusée par l’atmosphère terrestre avant d’atteindre nos yeux. La lumière solaire, qui nous semble blanche, contient un ensemble de couleurs correspondant à différentes longueurs d’onde. Lorsque cette lumière traverse l’atmosphère, les molécules de gaz, principalement l’azote et l’oxygène, ne diffusent pas toutes ces composantes avec la même intensité. Cette différence de traitement produit la teinte bleue caractéristique du ciel diurne.

Le rôle de la diffusion de Rayleigh

Le phénomène en cause est appelé diffusion de Rayleigh. Il se produit lorsque la lumière interagit avec des molécules beaucoup plus petites que sa longueur d’onde. Le champ électrique de la lumière met alors les charges électriques des molécules en oscillation, et celles-ci diffusent à leur tour une partie de la lumière dans différentes directions. La diffusion est d’autant plus importante que la longueur d’onde est courte : son intensité varie approximativement comme l’inverse de la quatrième puissance de la longueur d’onde. Les composantes bleues et violettes sont donc beaucoup plus diffusées que les composantes rouges ou orangées. Une partie de cette lumière diffusée parvient à l’œil même lorsqu’il ne regarde pas directement le Soleil.

Pourquoi le ciel n’est-il pas violet ?

Le violet possède une longueur d’onde encore plus courte que le bleu et est donc, en principe, fortement diffusé. Pourtant, notre ciel nous paraît principalement bleu. Plusieurs facteurs interviennent dans cette perception : le Soleil fournit moins de lumière dans le violet que dans le bleu, l’atmosphère filtre une partie des plus courtes longueurs d’onde et l’œil humain est moins sensible au violet qu’au bleu. Le mélange de la lumière diffusée et la sensibilité de notre vision conduisent ainsi à une dominante bleue plutôt qu’à une dominante violette.

L’effet de la longueur du trajet atmosphérique

La couleur observée dépend aussi de la quantité d’atmosphère traversée par la lumière. Lorsque le Soleil est haut dans le ciel, sa lumière directe parcourt une épaisseur relativement faible d’atmosphère. Au lever et au coucher, en revanche, elle suit un trajet beaucoup plus long. Les courtes longueurs d’onde, notamment le bleu, ont alors davantage de possibilités d’être diffusées hors du faisceau qui se dirige directement vers l’observateur. La lumière directe restante est plus riche en longueurs d’onde longues, ce qui explique les teintes rouges, orange ou jaunes des levers et des couchers de soleil. La présence de poussières, de fumées ou d’autres particules peut également modifier l’intensité et les nuances de ces couleurs, mais la couleur bleue habituelle du ciel clair est principalement due à la diffusion de Rayleigh par les molécules de l’atmosphère.