Pourquoi la Lune ne disparaît-elle pas, mais devient rouge, lors d'une éclipse totale ?
– Des myriades de « couchers de soleil » cerclent la Terre et l'éclairent
Lors d'une éclipse totale de Lune, celle-ci entre entièrement dans l'ombre de la Terre. Aucune lumière du Soleil ne devrait l'atteindre. Pourtant, elle ne devient pas noire : elle reste faiblement éclairée, d'un rouge cuivré. Comment brille-t-elle alors qu'elle est complètement cachée dans l'ombre ?
Une nuit de pleine Lune, le disque se grignote peu à peu, puis plonge tout entier dans l'ombre de la Terre. C'est le début de l'éclipse totale. Le Soleil, la Terre et la Lune sont alignés, et la Terre arrête la lumière du Soleil. La Lune ne devrait donc recevoir aucune lumière et disparaître du ciel.
Pourtant, elle ne devient pas noire. Elle prend une teinte appelée « rouge cuivré » (shakudō-iro en japonais), d'un orange sombre à un rouge profond, et reste bien visible. D'où vient cette lumière rouge ?
Le rouge apparaît seulement quand deux conditions sont réunies
La Terre possède une atmosphère : son ombre n'est donc pas une obscurité totale. La lumière du Soleil qui frôle le bord de la Terre est déviée par l'air et atteindrait le centre de l'ombre.
Quand la lumière traverse l'atmosphère en biais sur une longue distance, presque tout le bleu disparaît et il ne reste que du rouge. C'est le même mécanisme qui rougit le ciel au coucher du soleil.
Quand ces deux conditions sont réunies, on obtient enfin une « Lune rouge, plongée dans l'ombre de la Terre ». Prenons-les une à une.
Raison 1 : l'ombre de la Terre n'est pas une obscurité totale
Sans atmosphère, l'ombre de la Terre serait un espace complètement noir, sans aucune lumière. Mais la Terre est enveloppée d'une épaisse couche d'air, et cela change tout.
Parmi les rayons venus du Soleil, ceux qui rasent le bord de la Terre voient leur direction s'infléchir légèrement en traversant l'atmosphère (c'est la réfraction). Grâce à cette courbure, une partie de la lumière qui aurait dû filer dans l'espace obscur derrière la Terre parvient jusqu'au centre de l'ombre. Pendant l'éclipse, la Lune est justement éclairée par cette lumière.
Raison 2 : après une longue traversée de l'atmosphère, la lumière rougit
Si le ciel est bleu le jour et rouge le soir, c'est en fait pour la même raison, liée à l'air. Les molécules de l'air dispersent plus fortement dans toutes les directions la lumière bleue, dont la longueur d'onde est courte. Cette dispersion s'appelle la diffusion. Quand elle est causée par de minuscules particules comme les molécules d'air, on parle de diffusion de Rayleigh (voir l'article sur la couleur bleue du ciel, qui la détaille).
En plein jour, la lumière du Soleil traverse peu d'atmosphère : une partie du bleu est diffusée, mais il en arrive encore assez jusqu'à nos yeux. Le soir, en revanche, elle traverse l'air en biais sur une longue distance. Presque tout le bleu est diffusé et disparaît de la direction d'origine : il ne reste que la lumière rouge, peu diffusée, qui atteint nos yeux. C'est le coucher de soleil.
La lumière qui éclaire la Lune pendant l'éclipse a, elle aussi, longuement frôlé le bord de la Terre. On dit parfois que c'est la réunion de la lumière d'innombrables couchers et levers de soleil qui ont lieu au même moment partout sur Terre. Voilà pourquoi la Lune ne devient pas noire, mais rouge.
La Lune d'une éclipse totale peut paraître d'un orange vif ou d'un brun-rouge sombre. Cela tiendrait à l'état de l'atmosphère terrestre à ce moment-là (étendue des nuages, quantité de poussières issues d'éruptions volcaniques, etc.), qui modifie la quantité et la teinte de la lumière atteignant l'ombre.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Par une belle journée, l'après-midi, regardez plusieurs fois le ciel à l'ouest depuis le même endroit, jusqu'au coucher du soleil
- Constatez que, à mesure que le Soleil descend, le ciel autour de lui passe du jaune pâle à l'orange, puis au rouge
Plus le Soleil est bas, plus la lumière traverse de distance dans l'atmosphère. Le bleu se perd d'autant, et le rouge restant devient plus intense. Ce phénomène (« la lumière qui a parcouru une longue distance rougit ») se produit, lors d'une éclipse totale, tout autour du bord de la Terre en même temps : c'est une façon simple de le comprendre.
En résumé
La Lune d'une éclipse totale paraît rouge parce que deux choses se produisent en même temps. ① L'atmosphère terrestre courbe un peu la lumière du Soleil et l'envoie dans l'ombre ; ② en traversant longuement l'air, cette lumière perd son bleu et ne garde que le rouge. Grâce à ces deux effets, la Lune continue de briller dans l'ombre de la Terre.
Ce qui éclaire la Lune en éclipse, c'est le prolongement d'un coucher de soleil quelque part sur Terre.
Dans l'ombre, la Lune ne baigne pas dans l'obscurité, mais dans la lumière de couchers de soleil lointains.
Parmi les mystères de l'aspect de la Lune, certains font intervenir le cerveau plutôt que la lumière. L'« illusion lunaire », qui fait paraître géante une Lune tout juste levée alors que la photo ne le montre pas, est expliquée dans cet article. Quant aux phases quotidiennes de la Lune, souvent confondues avec les éclipses, Pourquoi la forme de la Lune change-t-elle chaque jour ? montre qu'elles n'ont rien à voir avec l'ombre de la Terre.
Pour aller plus loin – termes, formules et lien avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend au lycée (bases des sciences de la Terre et de la physique)
- Lycée+Sciences de la Terre ou physique approfondies au lycée, ou contenu d'approfondissement ou d'encadré des manuels
- Univ.Ce qu'on n'apprend pas au lycée : matière spécialisée d'université (optique atmosphérique)
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots des éclipses
- Éclipse totale de Lune : phénomène où la Lune entre entièrement dans l'ombre de la Terre.
- Réfraction : changement de direction de la lumière quand elle traverse un milieu dont la densité varie.
- Diffusion : dispersion de la lumière dans toutes les directions quand elle rencontre de petites particules.
- Diffusion de Rayleigh : diffusion par des particules plus petites que la longueur d'onde de la lumière, comme les molécules d'air. Plus la longueur d'onde est courte (bleu), plus la diffusion est forte.
- Rouge cuivré (shakudō-iro) : terme désignant la couleur de la Lune pendant une éclipse totale, d'un orange sombre à un rouge profond.
CollègeLycéePar le calcul : l'ombre de la Terre est combien de fois plus grande que la Lune ?
Quand on lit que « la Lune entre entièrement dans l'ombre », on ne sent pas bien si l'ombre est à peine assez grande ou largement suffisante. Le calcul donne ici un chiffre net.
Rapport ombre/Lune = taille de l'ombre de la Terre ÷ diamètre de la Lune
| Taille de l'ombre de la Terre | À la distance de l'orbite lunaire, environ 9200［km］ |
| Diamètre de la Lune | Environ 3474［km］ |
À la distance de la Lune, l'ombre de la Terre aurait à peu près cette taille. En la comparant au diamètre de la Lune, on voit quelle marge il y a.
| Taille de l'ombre en diamètres lunaires | 9200 ÷ 3474 ≒ 2,6 ［fois］ |
| Rayon de l'ombre | 9200 ÷ 2 ＝ 4600 ［km］ |
| Rayon de la Lune | 3474 ÷ 2 ＝ 1737 ［km］ |
| Marge d'un seul côté (rayon de l'ombre − rayon de la Lune) | 4600 − 1737 ＝ 2863 ［km］ |
L'ombre de la Terre est assez grande pour aligner 2,6 Lunes côte à côte. La Lune n'entre pas juste au ras de l'ombre à chaque éclipse : d'un seul côté, elle dispose d'une marge de 2863 km, bien plus que son propre diamètre.
C'est grâce à cette marge que la Lune met du temps à traverser l'ombre, et que l'éclipse totale de Lune peut durer plus d'une heure. Rien à voir avec l'éclipse totale de Soleil, qui ne dure que quelques minutes. Cette simple différence de taille, l'ombre de la Terre étant bien plus grande que la Lune, explique aussi l'écart de durée entre les deux types d'éclipses.
Lycée+Univ.Pourquoi le rouge, plus précisément
L'intensité de la diffusion de Rayleigh serait inversement proportionnelle à la puissance quatre de la longueur d'onde. Autrement dit, si la longueur d'onde est divisée par deux, la diffusion est environ 16 fois plus forte. La lumière bleue (environ 450 nm) est donc bien plus fortement diffusée que la lumière rouge (environ 650 nm). Plus la traversée de l'atmosphère est longue, plus cet écart se creuse.
On pense aussi que l'absorption par la couche d'ozone, ainsi que la diffusion et l'absorption par les nuages et les poussières, influencent la lumière qui atteint la Lune pendant l'éclipse. L'ampleur de ces effets serait l'une des raisons pour lesquelles la teinte de la Lune varie d'une éclipse à l'autre.
RechercheCe que l'on ne comprend pas encore bien
- Prédire avec précision la luminosité et la teinte de la Lune lors d'une éclipse totale reste, dit-on, difficile. Elles varient fortement selon l'état de l'atmosphère terrestre à ce moment (étendue des nuages, quantité de poussières volcaniques, etc.).
- Les simulations informatiques qui calculent précisément la réfraction et la diffusion de la lumière dans l'atmosphère pour reproduire les couleurs d'une éclipse continueraient d'être affinées.
- Utiliser les variations de couleur de la Lune en éclipse pour lire à distance l'atmosphère d'une planète est un thème de recherche lié aux futures techniques d'observation de l'atmosphère des planètes extérieures au Système solaire (exoplanètes).
Observées depuis des milliers d'années, les éclipses de Lune n'ont pas encore livré tous les détails atmosphériques qui déterminent leur couleur. Être familier n'est pas la même chose que bien comprendre.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : phases de la Lune, éclipses de Soleil et de Lune | Fonctionnement de l'éclipse totale, notions de réfraction |
| Lycée | Sciences de la Terre : structure de l'atmosphère ; physique : propriétés de la lumière | Calcul de la taille de l'ombre, notion de diffusion |
| Lycée+ | Sciences de la Terre, optique atmosphérique (approfondissement) | Diffusion de Rayleigh et longueur d'onde |
| Univ. | Sciences de l'atmosphère, optique atmosphérique | Loi en puissance quatre de la longueur d'onde, effets de l'ozone et des nuages |
| Recherche | Sciences de l'atmosphère, science des exoplanètes (questions ouvertes) | Prédiction de la teinte, simulations, techniques d'observation des atmosphères d'exoplanètes |
| – | Observation du quotidien | Comparaison avec les couleurs du coucher de soleil |
- Documents explicatifs sur le fonctionnement des éclipses de Soleil et de Lune, publiés notamment par l'Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台).
- Lynch, D.K. & Livingston, W., Color and Light in Nature (passages sur l'optique atmosphérique, la diffusion de Rayleigh et la couleur des éclipses de Lune).
- Exposés généraux, dans les manuels d'optique et de sciences de l'atmosphère, sur le lien entre diffusion et longueur d'onde (dépendance en longueur d'onde de la diffusion de Rayleigh).
- Relevés et données d'observation de la luminosité de la Lune pendant les éclipses totales, publiés par des agences astronomiques de différents pays.
※ Les valeurs comme la taille de l'ombre de la Terre varient selon les positions relatives du Soleil, de la Terre et de la Lune. Cet article donne des valeurs de référence couramment utilisées.
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs relatives à la taille de l'ombre de la Terre et aux longueurs d'onde de la lumière varient selon les conditions ; elles sont données comme repères pour comprendre le mécanisme.