Dis-moi Lambö… Pourquoi le ciel est bleu ?

Pour ce cours de physique spécial lycéens (seconde première), Lambö, Le désormais célèbre E-prof  de soutien scolaire physique en ligne se penche sur un sujet sur lequel, grands et petits, nous nous interrogeons fréquemment : la couleur du ciel.

Aaaaah le ciel …

« Cette fenêtre ouverte sur le reste de l’univers. Le toit de l’humanité. Eternelle source d’émerveillement et d’inspiration pour les hommes de bonne volonté. » (Ça, c’est de moi… bon sang, quel poète.)

Mais … pourquoi il est bleu ?! En voilà une question !

 » Le ciel est bleu parce qu’il reflète la mer  » vous a-t-on probablement déjà dit. Mais non, ce n’est pas ça. Ce serait plutôt l’inverse : le bleu de la mer est dû au bleu du ciel. Mais ceci est une autre question.

Donc, le ciel bleu ! … Il s’agit en fait d’une interaction entre les rayons du soleil et notre atmosphère.

Pour commencer, un rappel de ce que nous avions abordé dans le premier épisode de ‘Dis moi Lambö’ sur la Théorie du bâton brisé (que vous avez tous lu, n’est-ce pas ? …).

La vision est en fait une sensation, liée à la captation de la lumière par nos yeux. Cette lumière est émise par une source primaire (le soleil, une lampe, pikachu lors d’une attaque éclair, etc.), puis réfléchie par ce que nous voyons.

Il s’agit ici, en quelque sorte, du même phénomène : les rayons du soleil, en pénétrant notre atmosphère, vont interagir avec les corps présents dans celle-ci, qui vont, à leur tour, nous envoyer de la lumière. Cependant, cette interaction n’est pas une simple réflexion de la lumière, comme lorsque nous voyons les objets qui nous entourent.

Mais ceci va nous amener à éclaircir une notion fondamentale : Qu’est-ce que la lumière ?

… Et oui, au final, la lumière on en parle, mais qu’est-ce donc ? La lumière est une onde électromagnétique (tout comme les ondes radio, les ondes émises dans votre four à micro-onde, etc.) Dans le spectre des ondes électromagnétiques, une partie est captée par nos yeux et constitue la lumière et les couleurs que nous voyons.

Illustration 1: Spectre électromagnétique et spectre de la lumière visible. Par le contributeur Wikipédia Ploufandsplash.

Notre atmosphère étant une sorte de couche de gaz entourant notre planète, il se passe une interaction entre un rayonnement électromagnétique (lumière du soleil) et des atomes et molécules (composant les gaz de notre atmosphère). Cette interaction porte le nom de diffusion Rayleigh.

« Diffusion Rayleigh » par le contributeur Wikipédia CDang.

Ne partez pas en courant chers lycéens, et traduisons ce schéma : les atomes sont composés d’un noyau, et d’électrons « gravitant » autour (ces derniers constituent le « nuage électronique »). Et une molécule est tout simplement un assemblage d’atomes. Lorsque le rayonnement électromagnétique du soleil rencontre le nuage électronique des atomes et molécules de l’atmosphère, il en résulte une nouvelle onde électromagnétique visible émise par ces derniers ! L’intensité des rayons alors émis est décrite par cette équation :

… Non ! Revenez, n’ayez pas peur !! … Vous le savez, je ne suis pas là pour vous torturer avec des maths. Et je dirais même plus : nous allons dompter ensemble cette horreur ! Je ne détaillerai pas cette formule outre-mesure, et ne m’attarderai que sur un point précis, représenté en vert ci-dessous :

… I, l’intensité d’un rayon issu de la diffusion Rayleigh, est inversement proportionnelle à λ, sa longueur d’onde (c’est à dire : sa couleur). En résumé : plus λ est petit, plus I est grand. Ainsi, lors de ce phénomène, les rayons de petites longueurs d’onde seront émis plus intensément que les autres. Et si on revient au schéma du spectre visible, que constate-t-on ? … Et oui bravo : les couleurs les plus intensément diffusées seront dans les bleu/violet ! Ajoutons à ceci que nos yeux ont une sensibilité plus faible pour le violet, et nous savons désormais pourquoi nous voyons le ciel bleu !

Ciel bleu, orange, rouge…

J’imagine que maintenant, dans la tête de certains d’entre vous, doivent se bousculer de nombreuses questions. En effet, le ciel n’est pas toujours bleu ! Rouge lors des couchers et levers du soleil, ou même rose ou mauve par moments … Il existe de nombreux facteurs influençant ces interactions et donc la couleur du ciel : homogénéïté de l’atmosphère, humidité, climat, pollution, etc.

On se penchera que sur la couleur rouge/orange du ciel lors des couchers et levers de soleil. D’une part parce qu’il s’agit d’une des couleurs les plus courantes du ciel, mais aussi car j’adore les couchers de soleil. (Je suis un grand romantique). Lors d’un coucher ou lever de soleil, les rayons doivent traverser une couche d’atmosphère nettement plus épaisse, comme illustré dans le schéma ci-dessous.

Différence de chemin, pour les rayons du soleil, entre le zénith et le coucher.

On observe que lors d’un coucher ou lever de soleil, les longueurs d’onde bleues/mauves sont diffusées lors d’un trajet nettement plus long et, en quelque sorte, elles « s’épuisent » avant d’arriver à la surface de la Terre. Elles arrivent à nos yeux avec nettement moins d’intensité, ce qui nous laisse voir les rayons arrivant directement du soleil (en journée, le rayonnement Rayleigh bleu ne nous laisse que peu voir les composantes rouges de ces rayons directs). Voilà qui explique cette couleur rouge/orange lors des couchers de soleil !
Chers élèves de seconde et première, ‘est tout pour aujourd’hui ! Je finirai néanmoins sur cette réflexion : beaucoup pensent que traiter des phénomènes aussi beaux que les couleurs ou un coucher de soleil de façon scientifique et rationnelle va leur enlever de leur beauté. J’ai, pour ma part, toujours ressenti l’inverse : comprendre les mécanismes du monde qui m’entoure m’a permis de mieux apprécier sa complexité et sa perfection. Comme l’a dit le grand Richard Feynman :

 » Toutes les questions intéressantes que la science peut résoudre ne font qu’accroître l’excitation, le mystère et l’admiration que suscitent une fleur. «  Richard Feynman