Pourquoi le ciel est-il bleu pendant la journée ?

Le ciel diurne paraît bleu parce que la lumière du Soleil, en traversant l’atmosphère terrestre, est diffusée par les molécules de l’air. Cette diffusion ne touche pas toutes les composantes de la lumière de la même façon : les courtes longueurs d’onde sont davantage déviées dans les différentes directions que les longues. La lumière bleue ainsi dispersée parvient à l’observateur depuis une grande partie de la voûte céleste.

La lumière blanche du Soleil

La lumière solaire qui nous semble blanche contient un ensemble de rayonnements visibles correspondant notamment au rouge, à l’orange, au jaune, au vert, au bleu et au violet. Chaque couleur est associée à une longueur d’onde différente : les rayonnements rouges ont des longueurs d’onde plus grandes que les rayonnements bleus ou violets. Dans l’espace, la lumière se propage principalement en ligne droite. En arrivant dans l’atmosphère, elle rencontre toutefois les molécules qui composent l’air, en particulier l’azote et l’oxygène.

Les molécules de l’atmosphère diffusent la lumière

Les molécules gazeuses sont beaucoup plus petites que les longueurs d’onde de la lumière visible. Sous l’effet du champ électromagnétique de la lumière solaire, elles réémettent une partie de cette lumière dans des directions différentes de sa trajectoire initiale. Il ne s’agit pas simplement de collisions mécaniques entre des particules : c’est une interaction entre le rayonnement et les molécules de l’atmosphère. Cette diffusion permet donc à un observateur de recevoir de la lumière provenant de régions du ciel qui ne se trouvent pas directement dans la direction du Soleil.

La diffusion de Rayleigh favorise le bleu

La diffusion produite par les très petites molécules de l’air est appelée diffusion de Rayleigh. Son intensité augmente fortement lorsque la longueur d’onde diminue : elle est, dans un modèle simplifié, inversement proportionnelle à la quatrième puissance de cette longueur d’onde. Les rayonnements bleus sont ainsi beaucoup plus diffusés que les rayonnements rouges. Lorsque la lumière blanche du Soleil traverse l’atmosphère, le bleu est donc réparti dans de nombreuses directions et devient particulièrement visible en regardant une portion du ciel éloignée du Soleil. Les rayonnements rouges, moins diffusés, restent davantage présents dans la lumière solaire qui suit directement sa trajectoire.

Pourquoi le ciel n’est-il pas violet ?

Le violet possède une longueur d’onde encore plus courte que le bleu et devrait donc être très efficacement diffusé selon la loi de Rayleigh. Pourtant, la couleur dominante perçue par l’œil est le bleu. Cette apparence résulte notamment de la répartition de l’énergie dans le spectre solaire et de la sensibilité de la vision humaine, qui n’est pas la même pour toutes les longueurs d’onde et qui est plus faible dans la zone du violet. La teinte observée est donc le résultat combiné de la diffusion atmosphérique et de la manière dont l’œil et le cerveau interprètent la lumière reçue. Le phénomène se produit toute la journée ; lorsque le Soleil est près de l’horizon, la lumière directe parcourt une épaisseur d’atmosphère plus importante, ce qui accentue la diffusion des courtes longueurs d’onde et laisse plus facilement apparaître des teintes rouges ou orangées près du Soleil levant ou couchant.