Pourquoi certains nuages sont blancs et d’autres gris, voire pratiquement noirs ?
Pour faire court, il s’agit d’une question d’épaisseur et de taille des gouttelettes d’eau. Voyons tout ça ici !
Diffusion de Mie & diffusion de Rayleigh
Pour qu’un nuage se forme, de l’air humide — moins dense que l’air sec, contre-intuitivement — doit s’élever dans l’atmosphère. La température diminuant avec l’altitude, il arrive un moment où cette température atteint le point de rosée de l’air qui est en train de monter. Il s’agit de la température à laquelle l’humidité contenue dans l’air se liquéfie et forme de petites gouttelettes d’eau liquide.
Ces gouttes sont beaucoup plus grandes que les molécules d’air ou d’eau en phase gazeuse, par conséquent, les phénomènes de diffusion de la lumière qui entrent en jeu ne sont plus les mêmes non plus. La formation des gouttelettes va en quelque sorte modifier les phénomènes d’interaction entre la lumière et l’atmosphère.
La diffusion de Rayleigh, qui explique la couleur bleue du ciel, n’est valable que pour des particules dont la dimension est inférieure au dixième de la longueur d’onde de la lumière. Les gouttelettes étant bien plus grosses que ça, la diffusion de Rayleigh n’est plus perceptible dans un nuage. Les nuages ne sont donc pas bleus comme le ciel, malgré la transparence effective de l’eau.
Le nuage diffuse toujours la lumière, mais vu que les « particules » sont plus grandes, elles subissent ce qu’on appelle : la diffusion de Mie, et cette dernière ne dépend plus de la longueur d’onde : toutes les couleurs sont autant déviées les unes que les autres.
Le nuage est donc de la couleur de la lumière qui arrive dessus, c’est-à-dire blanche (ou rouge-orange lors des couchers de Soleil).
Les théories de Mie et de Rayleigh sont une seule et même théorie, mais la diffusion de Rayleigh n’est applicable que pour les particules les plus petites (molécules et atomes). Il s’agit d’un cas particulier de la théorie de Mie.
La diffusion de Mie explique la couleur bleue du ciel à cause des molécules nanoscopiques (cas particulier de Rayleigh), et la couleur blanche des nuages, à causes des gouttelettes microscopique, environ 100 à 10 000 fois plus larges.
Et pour les nuages noirs ?
Je l’ai dit plus haut : le nuage, du fait des particules plus grandes que le dixième de la longueur d’onde, prend la couleur de la lumière qui le traverse. S’il n’y a plus de lumière, le milieu est… noir, ou au moins gris foncé, en tout cas notablement plus sombre.
Ceci se produit lorsque la lumière est absorbée avant de parvenir sur le nuage. L’eau des gouttelettes, bien que transparente, finit tout de même par absorber un peu de lumière. Si le nuage est particulièrement épais ou fortement chargé en grosses gouttes d’eau, alors la lumière traverse une quantité significative d’eau et une quantité d’autant significative de lumière est absorbée. Il ne reste alors plus grand-chose sur la partie basse du nuage. Le nuage paraît plus sombre.
Cela peut aussi se produire avec de petits nuages normalement blancs qui passent dans l’ombre d’un gros nuage au-dessus : le petit nuage ne reçoit plus de lumière et apparaît sombre.
Un nuage vraiment sombre est un nuage très chargé en eau, ou très épais. Dans ce dernier cas, ils sont également hauts et leur sommet froid est sujet à une forte condensation de la vapeur d’eau. Dans les deux cas, c’est annonciateur de précipitations imminentes, voire d’orages.
Le même principe peut être appliqué à la fumée d’une cigarette : celle-ci est généralement bleue quand elle s’élève de la cigarette, mais blanche quand elle est expirée. La fumée normale est très fine et diffuse essentiellement le bleu, alors que la fumée expirée est constituée de particules bien plus grosses, formée d’eau agglomérée sur les particules de suie, prenant la couleur de la lumière incidente, c’est à dire blanche.
Liens et ressources
Autres articles sur ce blog :