Un ciel bleu.
C’est une question classique, que je n’avais pas encore traitée ici. C’est en faisant un autre article sur un autre sujet que je m’en suis rendu compte, et c’est donc l’occasion de l’écrire.

Le bleu n’est pas la couleur de l’air

Déjà, non, le ciel n’est pas bleu à cause d’un pigment. L’univers et le ciel nocturne, sont essentiellement noirs à cause de l’absence de lumière. Là où il n’y a pas d’étoiles pour émettre de la lumière, il n’y a pas de lumière (visible en tout cas) et c’est donc noir.

Le bleu n’est pas non plus la couleur intrinsèque de l’air : l’air, et le dioxygène gazeux, sont transparents.
Le dioxygène liquide est en revanche légèrement bleuté, et l’ozone — ou trioxygène — liquide est lui d’un bleu foncé intense, mais leurs versions gazeuses ne sont pas colorées.

L’origine de la couleur bleue du ciel n’est donc pas pigmentaire (l’atmosphère n’est pas bleue « par nature »), mais d’origine entièrement physique.

Une couleur d’origine physique

À l’instar des plumes de paon, des bijoux à cristaux liquides, ou encore la couleur de l’or, la couleur bleutée du ciel est d’origine physique.

Dans ces exemples, les différentes longueurs d’ondes, ou couleurs, de la lumière du soleil ne sont pas absorbées et filtrées comme c’est le cas avec un pigment coloré. Elles sont annulées ou amplifiées par interférence, déviées ou partiellement réfléchies.

Dans le cas du ciel, les couleurs formant la lumière blanche sont déviées. On dit aussi diffusées. En l’occurrence, il s’agit de la diffusion de Rayleigh.

Cette diffusion se fait quand l’atome se trouve sur la trajectoire d’un rayon lumineux. L’onde, qui n’est autre qu’une oscillation périodique du champ électrique et magnétique local, provoque une oscillation des nuages d’électrons des atomes qu’elle rencontre.
En somme : les atomes sur la trajectoire de l’onde sont mis en vibration. Les atomes, pour se désexciter, vont rayonner une onde dans toutes les directions :

Principe de la diffusion de Rayleigh.
Principe de la diffusion de Rayleigh (image)

Avec la diffusion de Rayleigh, l’onde émise a la même longueur d’onde que l’onde incidente (la diffusion est élastique). La couleur ne change donc pas, seule la direction de l’onde est modifiée ; et comme elle va d’une seule direction à plusieurs, on dit qu’elle est diffusée.

Toutes les longueurs d’onde sont diffusées, mais pour la diffusion de Rayleigh, l’effet est d’autant plus prononcé que la longueur d’onde est courte.

Il s’agit d’une action de la matière sur la lumière, et c’est ceci qui permet d’agir sur des couleurs précises même sans qu’il n’y ait des pigments en jeu.

La diffusion de Rayleigh

La diffusion de Rayleigh a lieu dans le ciel et ce phénomène dépend de la longueur d’onde. Si la lumière incidente est blanche, et donc composée de toutes les longueurs d’onde, les courtes longueurs d’onde (violet, bleu…) vont être nettement plus diffusées que les grandes longueurs d’onde (rouge, jaune…).

Depuis le sol, ce qu’on observe est donc :

  • de la lumière rouge, jaune, orange qui provient directement de la source lumineuse (le soleil)
  • de la lumière bleue, violette, qui provient de partout, vu que l’atmosphère la diffuse un peu partout.
La diffusion de Rayleigh rendant le ciel bleu.
La diffusion de Rayleigh diffuse les courtes longueurs d’onde beaucoup plus que les grandes longueurs d’onde.

Si vous voulez une petite analogie, considérez une forêt avec des arbres, des arbustes et des brindilles. Ce sont les atomes. Considérez également des boulets de canon, des ballons de football et des balles de ping-pong.

Si vous envoyez un boulet de canon dans la forêt, ce dernier ira essentiellement tout droit : traversant les brindilles, les arbustes et même les arbres. Ils ne sont pas déviés, pas diffusés.
Les ballons de football, quant à eux, sont déviés par les arbres mais arrivent à repousser les petits arbustes et les brindilles sans changer de direction. Au final, ils ne sont que peu déviés.
Les balles de ping-pong, en revanche, sont tellement légères qu’elles sont déviées par les moindres brindilles et rebondissent dessus et finissent envoyées partout en rebondissant dans toutes les directions.

En supposant que la forêt soit en pente, quelqu’un situé en bas pourra voir précisément d’où viennent les boulets de canon en regardant leur trajectoire. Les boulets n’étant pas déviés, leur trajectoire rectiligne prend obligatoirement naissance à leur source, le canon.
Les balles de ping-pong proviennent, vues d’en bas, de tous les côtés. Il sera très difficile de remonter à leur source simplement en regardant où elles tombent !

Dans le cas du ciel, c’est un peu pareil : le bleu est diffusé partout dans le ciel et chaque molécule de l’air nous en envoie un peu : le ciel nous apparaît donc clairement bleu.

Les couleurs de longueur d’onde plus grandes, moins déviées, ne proviennent-elles que de la source : c’est pour ça que le soleil nous apparaît jaune orangé.

Quelques questions que cela soulève

De ce qui précède, quelques questions peuvent être posées.

Pourquoi le ciel n’est pas violet ?

Si la diffusion de Rayleigh diffuse d’autant plus que les longueurs d’onde sont petites, le violet devrait être encore plus diffusé que le bleu. Pourquoi le ciel n’est donc pas violet ?

Dans les faits, le violet est dévié, et bien plus encore que le bleu. L’astuce ici c’est que, bien que le violet fasse effectivement partie du spectre solaire, notre étoile émet nettement moins de violet que de bleu.

Ces très courtes longueurs d’onde ne sont pas très présentes dans la lumière Soleil. D’ailleurs, le pic dans le spectre, c’est-à-dire la longueur d’onde la plus émise dans le spectre solaire, est le vert. Il y a donc plus de vert que de bleu, que de violet, et même de rouge ou d’orange. On ne le voit cependant pas, car le mélange que l’on perçoit est globalement blanc, ou jaune, au niveau du sol.

Si le soleil était beaucoup plus chaud au point d’émettre davantage de violet que de bleu, le ciel serait bleu violacé.

D’ailleurs, les ultraviolets, dont la longueur d’onde est encore plus courte, sont tellement diffusés que les images des caméras UV sont naturellement floues à cause de ça, même pour un paysage pas trop éloigné.

Le soleil est-il jaune ou blanc ?

La lumière que le Soleil émet est blanche. On le voit très bien sur les photos prises depuis l’espace, sans les effets filtrants de l’atmosphère.

Vu du sol, le bleu est diffusé et ce qui nous provient directement du Soleil est donc du blanc, moins le bleu, donc globalement du rouge, du jaune, et du vert, ce qui fait bien du jaune.

Quid du coucher du Soleil ?

Quand le Soleil est couchant (ou levant), il se situe proche de l’horizon. La couche d’air que la lumière traverse est alors bien plus épaisse que si le soleil est à son point de culmination dans le ciel.

Dans ces conditions, même la faible déviation des longueurs d’onde que sont le vert, le jaune, le rouge finit par se voir. Le vert et le jaune sont également diffusés partout (le ciel semble plus turquoise) et seul le rouge et l’orange proviennent encore directement du Soleil dans le ciel : le Soleil couchant est alors rouge.

Sous certaines conditions, quand le ciel est particulièrement pollué (pollen, poussière, pollution, eau…), ou si l’horizon est très dégagé et loin, le rouge commence également à être diffusé de façon notable. Le ciel est dès lors entièrement rougeoyant.

Le coucher du Soleil peut par ailleurs être sujet au phénomène du rayon vert, lié à la diffusion de Rayleigh et à la diffraction, voyez mon article dédié.

Conclusion

Pour conclure, le ciel est bleu, car l’atmosphère diffuse le bleu de la lumière solaire nettement plus que les autres couleurs. Le bleu est donc comme étalé dans tout le ciel, alors que le vert, le jaune ou le rouge ne le sont pas (ou alors beaucoup moins).
Vu du sol, la lumière bleue nous arrive de partout, de tout le ciel, et le jaune/rouge nous provient seulement de l’endroit où apparaît le Soleil. Le ciel nous apparaît donc bleu et le Soleil davantage jaune que blanc.

Cette forme de diffusion, appelée diffusée de Rayleigh provient de l’interaction des rayons lumineux avec les molécules de l’air, qui absorbent la lumière, vibrent, puis la renvoient dans tous les sens.

Le ciel n’est pas le seul endroit où l’on rencontre cette forme de diffusion. L’aérogel, une mousse solide très légère, ou certaines pierres fines comme les opales présentent également une couleur bleutée caractéristique à cause de cela.

image d’en-tête de Artem Pechenkin

9 commentaires

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Juju écrit :

Bravo, l'image des ballons & balles est très efficace.
Et bien sur le soleil semble jaune car c'est le jour (sine qua non) et les étoiles semblent blanches car c'est la nuit...
A propos 2 choses:
- Quand on s'élève le bleu ciel devient plus sombre.
- Pourquoi la nuit est-elle noire (avec toutes ces étoiles) ?

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Le Hollandais Volant écrit :

@Juju : Je pense que les étoiles semblent blanches par plus fort contraste avec le ciel sombre.

Pour cette obscurité, justement, je pense que c’est juste question de quantité de lumière. Plus on monte, moins la lumière est diffusée et moins il nous en arrive de toute part, donc plus il fait sombre.

C’est aussi pour ça que le bleu laisse peu à peu lace au noir. On a en fait un fond noir avec un simple voile bleu clair, mais si ce voile est très léger, alors la somme des deux est du bleu sombre.

Dans la nuit, le ciel est noir car il n’y a pas passe de lumière pour pouvoir distinguer la très faible quantité de bleu.
Les nuits de pleine lune, le ciel vire déjà davantage sur le bleu foncé.

D’ailleurs, tu peux noter la baisse de luminosité très facilement : essaye de lire un livre au clair de Lune, en n’ayant que la Lune pour source de lumière. C’est n’es pas facile.
Alors une nuit sans lune, avec juste les étoiles, c’est impossible.

La lumière de la Lune ou des étoiles est tout juste suffisante pour voir la route et distinguer un arbre lorsqu’on marche.

Aussi, les yeux sont beaucoup plus sensibles à la luminosité (quantité de lumière) qu’à la couleur. C’est pour ça qu’on dit que « la nuit, tous les chats sont gris » : la quantité de lumière suffit pour distinguer le noir du gris foncé, mais pas assez le bleu du noir.
Les cellules qui détectent la couleur ont besoin de beaucoup plus de photons que ceux qui détectent juste la quantité de photons.

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galex-713 écrit :

cocomment ça plus de vert ? le soleil est pas un corps noir qui émet sur toutes les fréquences ? je croyais que c’était l’atmosphère puis l’eau qui filtrait le spectre EM essentiellement sur la lumière visible et que c’était par la suite que la vie ne s’était habituée à voir que ce spectre restreint, surreprésenté sous l’eau…

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Alex écrit :

Concernant la lumière du soleil, à "midi", elle est bien blanche depuis la terre, et non jaune (et d'ailleurs notre œil est calé dessus). Par contre depuis l'espace il est légèrement bleu.

Plus le soleil est rasant, plus il va tendre vers le rouge du fait de l'atmosphère. L’œil s'est adapté au soleil donc on le voit blanc quand il est au zénith (5000°K), et d'ailleurs à cette heure-ci les rayons qui se dirigent vers le spectateur ne sont pas déviés => blanc !

Dès qu'il sort du zénith, il aura tendance à se réchauffer (d'où des lampes chaude autour de 3000°K pour "simuler" le coucher de soleil). A l'inverse, la température de couleur peut basculer dans le bleu (par exemple autour de 6500°K) quand le ciel est nuageux.

Concernant le violet, pour moi il n'existe pas (mais c'est personnel ;) : au-delà du bleu, c'est du bleu foncé. Pour faire du violet il faut du bleu (autour de 450nm) et du rouge (autour de 650nm) : https://couleur-science.eu/?d=00a5b2--pourquoi-le-rouge-et-le-vert-forment-ils-du-jaune. Je trouve bizarre l'appellation "Ultraviolet" dans le vocabulaire pour une couleur qu'on ne voit pas au-delà du bleu, et je trouve que ça trompe les gens, mais ma foi c'est comme ça 😅

"Si le soleil était beaucoup plus chaud au point d’émettre davantage de violet que de bleu, le ciel serait bleu violacé."

En fait non car il ne faut pas oublier la sensibilité de l’œil qui ne voit pas les ultraviolets. Donc pour notre œil, le ciel sera toujours bleu (tant que la température du soleil monte). Si elle descend (donc le soleil tendra vers le rouge), alors on pourrait imaginer que le soleil n'émette plus assez de bleu pour que le ciel garde cette couleur : nous verrions sans doute un ciel vert.

Bonne continuation dans vos articles 😊

https://fr.wikipedia.org/wiki/Efficacit%C3%A9_lumineuse_spectrale
https://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_solaire
https://leclairage.fr/th-vision/
https://fr.wikipedia.org/wiki/Corps_noir

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Alex écrit :

@galex-713 :

En faitle soleil émet de la lumière "continu", ce qui ne veut pas dire que l'intensité est la même pour tout le spectre visible : cela veut dire qu'il n'y a pas de "pic" et de "trou" dans le spectr comme on peut en avoir avec le spectre d'émission des LED. En fait le spectre d'émission du soleil correspond à un corps noir de 5000°K (https://fr.wikipedia.org/wiki/Corps_noir).

A savoir aussi que l'oeil humain a une sensibilité accru au vert (https://fr.wikipedia.org/wiki/Efficacit%C3%A9_lumineuse_spectrale). Et d'ailleurs si on avait 3 led qui émettait à 450nm (bleu), 550nm (vert) et 650nm (rouge), avec toutes les 3 la même puissance => la verte nous semblerait bien plus lumineuse.
Et c'est d'ailleurs pour cela que dans les capteurs photo il y a en général 2 photosites verts pour 1 seul rouge et 1 seul bleu : https://fr.wikipedia.org/wiki/Matrice_de_filtres_color%C3%A9s

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galex-713 écrit :

cher homonyme, je sais ça, mais ma question était plus quant au spectre sur terre, qu’estce qui le filtre, et comment s’eston adaptés au spectle visible

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Marc écrit :

Bonjour,
Merci pour vos articles, ils sont tous formidables.
En ayant lu celui-ci avec beaucoup d'attention, peut-on dire en restant simple, que toutes les planètes ayant une atmosphère ont un ciel bleu. Ou alors, ça dépend totalement de la composition chimique de l'atmosphère et de l'éloignement de son soleil et de sa température ?

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Le Hollandais Volant écrit :

@galex-713 : Pour qu’on s’adapte, il faut encore que ce soit possible par la chimie.
Le soleil a un maximum d’émission dans le vert. Pourtant, les plantes sont vertes : ça signifie qu’ils absorbent tous les rayons SAUF le vert, justement, et ils se privent donc du maximum d’énergie du Soleil.

La raison est purement chimique : la chlorophylle, responsable de la photosynthèse, fonctionne très bien (mieux que d’autres molécules) mais est verte et rejette cette lumière. Les plantes ont donc fait un choix : certes, ils se passent de principale gamme de couleur disponible, mais une autre molécule (qui utiliserait le vert) sera plus difficile à produire et le tout serait donc moins rentable. Parfois il faut donc voir moins gros pour mieux fonctionner.

Dans la chimie de l’œil et de l’évolution des récepteurs photosensibles, je suppose que c’est pareil. Nous avons des cellues (les bâtonnets) qui détectent le rouge, le vert et le bleu. Certaines espèces vivantes en ont d’autres (IR, UV…). Avec ces cellules, le cerveau a fait ce qu’il a pu : il a dit que le mélange des trois lumières (telles que trouvées dans la lumière solaire directe) serait blanc, par exemple.

Pour ce qui est de filtrer : c’est l’atmosphère (y compris les longueurs d’onde qu’on ne voit pas : l’ozone absorbe les UV).

@Marc : Sur Terre, l’air n’a pas de couleur. Le ciel est coloré par le processus de Rayleigh.
Ensuite, on peut avoir des couleurs basées sur des gaz colorés normalement. En été, quand le temps est dégagé et clair, regarde l’atmopshère au dessus de Paris ou de Lyon : l’air y est rougeâtre. C’est à cause de la pollution, principalement les oxydes d’azote dont la couleur est rougâtre (ces gaz sot très toxiques et émises par les voitures). C’est facilement visible.

S’il y a des poussières dans l’air, ça se voit aussi. Voyez là : https://lehollandaisvolant.net/?d=2021/02/24/18/22/35-photos-du-sable-dans-le-ciel

Ainsi, sur Mars, avec la poussière et la composition riche en CO2 de l’atmopshère, le coucher du Soleil est bleu : https://solarsystem.nasa.gov/news/925/what-does-a-sunrise-sunset-look-like-on-mars/


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