Pourquoi le ciel est-il bleu ?

• Lorsque la lumière entre en collision avec les molécules d’azote et d’oxygène de l’atmosphère et s’y diffuse, la lumière bleue, de plus courte longueur d’onde, est dispersée bien davantage que les autres couleurs
• Ce phénomène est lié à la fréquence de résonance du nuage électronique des molécules, et résulte de la diffusion de Rayleigh, qui devient plus intense à mesure que la longueur d’onde diminue
• Le violet est davantage diffusé, mais l’œil humain y est moins sensible, et une partie est absorbée par la couche d’ozone, ce qui fait apparaître le ciel bleu
• Au lever et au coucher du soleil, la lumière traverse une plus grande épaisseur d’atmosphère, de sorte que la lumière bleue est en grande partie diffusée et disparaît, tandis que seule la lumière rouge subsiste, donnant au ciel sa teinte rougeâtre
• Ce principe explique aussi les différences de couleur des atmosphères planétaires comme celles de la Terre, de Mars ou de Jupiter, et l’on distingue selon la taille des particules la diffusion de Rayleigh, de Mie et géométrique

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Principes fondamentaux de la lumière et des couleurs

• La couleur d’un objet est déterminée par la combinaison des longueurs d’onde des photons qui entrent dans l’œil
  • Dans la plupart des cas, plusieurs longueurs d’onde de lumière se mélangent, et le cerveau les perçoit comme une seule couleur
  • Par exemple, le turquoise peut être perçu comme une longueur d’onde unique autour de 500 nm, ou comme une combinaison de 470 nm et 540 nm
• Lorsque la lumière du Soleil atteint l’atmosphère, la plupart des couleurs la traversent, mais les photons bleus sont diffusés dans de multiples directions et se répandent dans tout le ciel
  • C’est pourquoi, quelle que soit la direction vers laquelle on regarde dans un ciel clair en journée, de la lumière bleue parvient à nos yeux

Pourquoi la lumière bleue est particulière

• La lumière bleue et la lumière violette sont les plus proches de la fréquence de résonance du nuage électronique des molécules d’azote (N₂) et d’oxygène (O₂)
  • Lorsqu’un photon passe près d’une molécule, le nuage électronique se met à vibrer à la même fréquence, et plus on est proche de la résonance, plus l’amplitude augmente
  • Plus la vibration est forte, plus il est probable que le photon soit diffusé au lieu de continuer tout droit
• L’intensité de la diffusion est proportionnelle à la quatrième puissance de la fréquence, ce qui la rend bien plus forte pour les hautes fréquences (courtes longueurs d’onde)
  • Le violet est diffusé environ 10 fois plus que le rouge
• Cependant, si le ciel n’est pas violet, c’est parce que l’œil humain a une faible sensibilité au violet et qu’une partie des ultraviolets est absorbée par la couche d’ozone

Le ciel rouge au lever et au coucher du soleil

• Lorsque le Soleil est bas sur l’horizon, la lumière traverse un trajet atmosphérique environ 40 fois plus long
  • Au cours de ce trajet, la lumière bleue et verte est en grande partie diffusée et disparaît, ne laissant subsister que la lumière rouge, moins diffusée
• C’est pourquoi le ciel prend une teinte rouge au crépuscule et à l’aube

Pourquoi les nuages sont blancs

• Les nuages sont constitués de gouttelettes d’eau d’environ 0,02 mm, bien plus grandes que des molécules
  • Chaque gouttelette réfléchit et réfracte, comme un prisme, la lumière de toutes les longueurs d’onde dans de multiples directions
  • Comme des milliers de milliards de gouttelettes dispersent toutes les couleurs, les nuages paraissent blancs ou gris
• Ce principe s’applique aussi à des particules plus grandes comme la pluie, la neige ou la grêle, qui tendent elles aussi à apparaître blanches

Le ciel rouge de Mars et ses couchers de soleil bleus

• L’atmosphère martienne contient beaucoup de fine poussière riche en fer, qui absorbe la lumière bleue et diffuse la lumière rouge
  • Les particules solides absorbent la lumière sur diverses longueurs d’onde, en particulier dans les domaines violet et ultraviolet
  • Cela vient du fait que les électrons des molécules de poussière peuvent être excités par des photons de haute énergie (violet et ultraviolet)
• À l’inverse, lors d’un coucher de soleil sur Mars, la poussière diffuse la lumière bleue vers l’avant, ce qui donne une teinte bleutée autour du Soleil
  • La lumière rouge est diffusée sous des angles plus grands et se répand dans le ciel alentour, tandis que la lumière bleue se concentre près du Soleil

Trois principes pour la couleur des atmosphères planétaires

• Petites molécules gazeuses → atmosphère bleue / bleu-vert
  • Exemples : Terre (azote et oxygène), Uranus et Neptune (hydrogène et hélium)
  • Le bleu profond de Neptune et d’Uranus vient du fait que le méthane absorbe la lumière rouge
• Poussière et brume → atmosphère rouge / orange / jaune
  • Exemples : Mars (poussière d’oxyde de fer), Titan (brume organique), Vénus (brume riche en soufre)
• Nuages → atmosphère blanche / grise
  • Exemples : Terre (gouttelettes d’eau), Vénus (nuages d’acide sulfurique), Mars (nuages de glace d’eau)

Prévision et validation pour l’atmosphère de Jupiter

• Si l’on prédit la couleur de l’atmosphère de Jupiter avec un modèle simple
  • Zones rouges : une brume chimique plutôt que de la poussière, puisqu’il n’y a pas de noyau liquide
  • Zones blanches : des nuages de glace d’ammoniac
  • Zones gris bleuté : la diffusion par les molécules d’hydrogène et d’hélium
• Les observations réelles de la sonde Galileo concordent avec cela, en confirmant des couches sèches d’hydrogène et d’hélium entre les nuages

Trois types de diffusion

• Diffusion de Rayleigh : lorsque les particules sont bien plus petites que la longueur d’onde, avec prédominance des courtes longueurs d’onde (bleu)
• Diffusion de Mie : lorsque la taille des particules est comparable à la longueur d’onde, ce qui correspond à la poussière et à la brume, avec une forte directivité
• Diffusion géométrique : lorsque les particules sont bien plus grandes que la longueur d’onde, les nuages et cristaux de glace réfléchissant alors toutes les couleurs
• C’est le rapport relatif entre la taille des particules et la longueur d’onde qui détermine le type de diffusion
  • En utilisant de plus grandes longueurs d’onde, la diffusion diminue, ce qui permet à des caméras infrarouges de voir à travers la fumée

Conclusion

• La couleur du ciel s’explique par la relation entre la taille des particules et la longueur d’onde de la lumière
• Le ciel bleu de la Terre, le ciel rouge de Mars et le ciel jaune de Vénus reposent tous sur les mêmes principes de diffusion
• Comprendre les diffusions de Rayleigh, de Mie et géométrique est essentiel pour la modélisation des atmosphères planétaires et les technologies optiques