Pourquoi le ciel est bleu,
mais le coucher de soleil rouge ?
Le jour, le ciel est bleu. Le soir, il devient rouge. Même ciel, même soleil, mais les couleurs s'inversent. En réalité, ces deux phénomènes ne sont pas séparés : ce sont deux faces d'une seule et même cause. L'air « disperse » la lumière bleue, ce qui rend le ciel bleu le jour et rouge le soir.
Par temps clair, en levant les yeux, le ciel entier paraît bleu. Pourtant, rien dans le ciel n'émet de lumière bleue. L'air est transparent, et le soleil lui-même paraît plutôt blanc.
Et pourtant, même en regardant loin du soleil, le ciel reste bleu. De la lumière bleue nous parvient depuis des directions où il ne devrait rien y avoir.
Puis vient le soir. Ce même soleil devient rouge. Ni sa température, ni sa couleur propre n'ont changé.
Ce qui a changé, ce n'est pas le soleil, mais la quantité d'air que sa lumière a traversée pour nous atteindre.
Les molécules de l'air ne se contentent pas de laisser passer la lumière : elles la renvoient dans toutes les directions. Or la lumière bleue est dispersée plus de 4 fois plus que la lumière rouge. C'est pourquoi le bleu tombe de partout dans le ciel.
Le soir, la lumière traverse une bien plus longue distance d'air que le jour. Le bleu est dispersé et épuisé en cours de route ; seul le rouge restant nous parvient.
Autrement dit, le ciel bleu et le coucher de soleil rouge sont le même phénomène, vu soit du côté de la lumière dispersée, soit du côté de la lumière restante. Voyons cela en détail.
Mais au fait, que veut dire « disperser » ?
La lumière du soleil est une lumière blanche, mélange de plusieurs couleurs. Si elle se sépare en couleurs de l'arc-en-ciel à travers un prisme, c'est que ce mélange peut être décomposé.
Quand cette lumière traverse l'air, elle heurte les molécules qui le composent (azote, oxygène). Une partie de la lumière cesse alors d'aller tout droit et repart dans toutes les directions. C'est cela, « disperser » : la diffusion.
Le point essentiel, c'est que cette facilité à être dispersée varie énormément selon la couleur. La lumière a une nature ondulatoire, et la finesse de son onde (la longueur d'onde) diffère selon la couleur. Le rouge a une onde ample, le bleu une onde fine.
Plus l'onde est fine, plus elle est sensible aux petites particules. Les molécules d'air étant bien plus petites que la longueur d'onde de la lumière, cet effet devient extrême. Pour donner un ordre de grandeur, le bleu est dispersé plus de 4 fois plus que le rouge.
La lumière bleue dispersée part dans toutes les directions. Une partie atteint nos yeux. C'est pourquoi, même en regardant loin du soleil, de la lumière bleue nous parvient de là.
Autrement dit, le ciel paraît bleu parce que l'air lui-même semble « briller ». Sur la Lune, sans atmosphère, le ciel reste noir même en plein jour. Il n'y a personne pour disperser la lumière, donc rien ne vient d'ailleurs que du soleil.
Alors pourquoi le ciel n'est-il pas « violet » ?
Voici une question pertinente. Il existe une couleur à longueur d'onde encore plus fine que le bleu : le violet. Si plus l'onde est fine, plus elle se disperse, le ciel ne devrait-il pas paraître violet ?
C'est une excellente question, et il n'y a pas une seule réponse. Au moins trois raisons se cumulent.
- La lumière du soleil contient peu de violet au départ.Le soleil émet moins de lumière dans le violet que dans le bleu. Même très dispersable, il n'y en a pas beaucoup à disperser.
- Le violet est réduit en haute atmosphère.Dans les couches supérieures, une partie du violet et des ultraviolets est absorbée. Moins en arrive donc au sol.
- L'œil humain réagit peu au violet.Les cellules de l'œil qui perçoivent la couleur réagissent bien dans le bleu, mais peu dans le violet. Et lorsque violet et bleu se mélangent, le cerveau les interprète comme un « blanc bleuté ».
Autrement dit, le bleu du ciel résulte non seulement de la physique, mais de la combinaison des propriétés du soleil et de celles de l'œil humain. Un être aux yeux différents, regardant le même ciel, y verrait sans doute une autre couleur.
Soleil, air et œil : c'est un travail à trois.
Pourquoi le coucher de soleil est rouge
Le soir, le soleil est proche de l'horizon. Sa lumière nous parvient alors en traversant l'air de façon bien plus oblique et sur une bien plus longue distance qu'à la verticale. Près de l'horizon, on estime que la lumière traverse des dizaines de fois plus d'air qu'au zénith.
Sur cette longue distance, la lumière bleue se disperse de plus en plus. Le bleu dispersé part de côté et disparaît de la lumière qui continue tout droit vers nos yeux.
Ce qui survit jusqu'au bout, ce sont les couleurs les moins dispersables ― le rouge et l'orange. C'est pourquoi le soleil couchant est rouge et le ciel du crépuscule se teinte d'orange.
Voici ce qui est fascinant : le ciel bleu et le coucher de soleil rouge découlent tous deux d'un seul et même fait, « le bleu se disperse facilement ». Regarder de côté le bleu dispersé donne le ciel bleu ; regarder de face le rouge qui a survécu donne le coucher de soleil.
- Pourquoi les nuages sont blancs : les gouttelettes des nuages sont bien plus grosses que les molécules d'air, de taille comparable ou supérieure à la longueur d'onde de la lumière. À cette taille, la différence entre couleurs disparaît presque : toutes sont dispersées de façon similaire. Le mélange de toutes les couleurs donne du blanc. C'est la même raison pour laquelle la glace pilée ou la mousse sont blanches.
- Pourquoi les couchers de soleil deviennent extraordinairement vifs après une éruption volcanique : les fines particules des panaches restent longtemps dans le ciel et modifient la façon dont la lumière se disperse. Après les grandes éruptions historiques, des couchers de soleil anormaux ont été observés partout dans le monde (le mécanisme des éruptions elles-mêmes).
- Pourquoi les montagnes lointaines paraissent bleutées : l'air entre la montagne et l'observateur disperse la lumière bleue vers lui. Plus la distance est grande, plus la teinte bleue est marquée. Dans les peintures de paysage, le bleu des arrière-plans reproduit cet effet.
- Le dicton « après un beau coucher de soleil, il fera beau demain » : au Japon, le temps évolue le plus souvent d'ouest en est. Un coucher de soleil visible est donc la preuve qu'il y a peu de nuages à l'ouest. Le dicton a un fondement réel.
Une vérification à faire dans la cuisine
- Remplissez d'eau un verre transparent ou une bouteille
- Ajoutez juste quelques gouttes de lait et mélangez doucement (l'astuce : ne pas en mettre trop ; l'eau doit devenir à peine trouble)
- Dans une pièce sombre, éclairez l'eau de côté avec la lampe du téléphone et regardez-la de côté → elle paraît bleu-blanc
- Placez ensuite la lampe de l'autre côté et regardez dans la direction où la lumière traverse l'eau → elle paraît orange
- Plus le récipient est long, plus l'orange devient intense
Les fines particules de lait jouent ici le rôle des molécules d'air. Vue de côté : ciel bleu ; vue à travers la lumière qui traverse : coucher de soleil. La même eau montre deux couleurs, selon la direction d'observation. Ce qui se passe dans le ciel se reproduit exactement dans un verre.
En résumé
Le ciel est bleu parce que l'air disperse fortement la lumière bleue. Le coucher de soleil est rouge à cause de cette même propriété, qui fait perdre le bleu au fil d'un long trajet. C'est un seul et même fait, vu sous deux angles différents.
Le ciel bleu et le coucher de soleil rouge ne sont pas deux phénomènes séparés.
Ce sont les deux faces d'une même chose.
Ce même phénomène ― « une lumière ayant parcouru une longue distance devient rouge » ― explique aussi pourquoi la Lune paraît rouge lors d'une éclipse totale. Les détails sont expliqués dans cet article. Voyez aussi l'article sur la mer, bleue elle aussi mais pour un mécanisme totalement différent. Enfin, les ultraviolets, dont la longueur d'onde est encore plus courte que celle du bleu, se dispersent de façon encore plus intense depuis tout le ciel. C'est pourquoi on peut attraper un coup de soleil même par temps couvert, comme l'explique cet article.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège aux sujets encore à l'étude par les chercheurs, chaque niveau est indiqué
- CollègeProgramme de sciences au collège
- LycéeProgramme de physique de base au lycée
- Lycée+Physique de lycée avancée, ou contenu approfondi/encadré des manuels
- UniversitéNon vu au lycée : matière spécialisée universitaire (électromagnétisme, optique atmosphérique)
- RechercheNon encore enseigné comme établi même à l'université : sujet en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots de la lumière et de la couleur
- Longueur d'onde : la finesse de l'onde lumineuse. Dans le visible, environ 380 nm (violet) à 780 nm (rouge). nm = nanomètre (un millionième de millimètre).
- Dispersion : décomposition de la lumière blanche en couleurs de l'arc-en-ciel par un prisme (mécanisme de l'arc-en-ciel ici). Elle vient du fait que l'angle de réfraction diffère selon la couleur.
- Diffusion : changement de direction de la lumière au contact d'une particule. C'est le « disperser » du texte.
- Diffusion de Rayleigh : diffusion quand la particule est bien plus petite que la longueur d'onde. C'est le cas des molécules d'air. C'est la véritable cause du bleu du ciel.
- Diffusion de Mie : diffusion quand la particule est de taille comparable ou supérieure à la longueur d'onde. C'est le cas des nuages, du brouillard ou des gouttelettes de lait ; la différence selon la couleur devient faible.
LycéeLycée+Vérifions par le calcul : combien de fois le bleu se disperse-t-il plus que le rouge ?
On peut vraiment le calculer ici. Une seule relation suffit, avec seulement une division et une puissance.
I ∝ 1 / λ⁴
| I intensité de la diffusion | à quel point la lumière dévie |
| λ longueur d'onde de la lumière | unité : nm (nanomètre) |
| ∝ est proportionnel à | symbole de proportionnalité, pas d'égalité |
Cela se lit ainsi : plus la longueur d'onde est courte, plus la diffusion est forte. Et comme l'effet est à la puissance 4, une petite différence de longueur d'onde change énormément la diffusion.
Pour comparer deux couleurs, on fait un rapport. En simplifiant numérateurs et dénominateurs, tout se ramène à élever à la puissance 4 le rapport des λ.
| Longueur d'onde du bleu | λ ≈ 450 nm |
| Longueur d'onde du rouge | λ ≈ 650 nm |
| Rapport à calculer | bleu ÷ rouge = (650 ÷ 450)⁴ |
| D'abord, la parenthèse | 650 ÷ 450 ≒ 1,44 |
| Puis, à la puissance 4 | 1,44⁴ ≒ 4,3 |
| Résultat | Le bleu se disperse environ 4,3 fois plus que le rouge |
Un écart de longueur d'onde de seulement 1,44 fois donne un résultat de 4,3 fois. La puissance 4 montre ici toute sa force. Voilà l'explication du bleu du ciel.
Le rouge du soir vient du fait que la longueur d'air traversée change. Plus le soleil est bas, plus la lumière parcourt d'air. Cette longueur se calcule aussi.
| Longueur au zénith | prise comme référence 1 |
| À une hauteur de 30° | 1 ÷ 0,50 = 2,0 fois |
| À une hauteur de 10° | 1 ÷ 0,17 ≒ 5,9 fois |
Plus le trajet est long, plus le bleu, facilement dispersé, s'épuise en route. Ce qui arrive tout droit jusqu'à l'œil, c'est surtout le rouge, peu dispersable. Le bleu est fort, d'où le bleu du ciel ; ce même bleu s'échappe en premier, d'où le rouge du coucher de soleil. Deux faces d'une seule formule.
※ 0,50 et 0,17 sont les sinus des angles correspondants. L'atmosphère réelle s'amincit avec l'altitude, donc près de l'horizon le trajet réel est plus long que ce calcul simplifié.
Une question naturelle se pose ici. Le violet a une longueur d'onde plus courte que le bleu : le ciel ne devrait-il pas être violet ? Calculons.
| Longueur d'onde du violet | λ ≈ 400 nm |
| Rapport au rouge | (650 ÷ 400)⁴ ≒ 7,0 fois |
Le calcul montre que le violet se disperse encore plus que le bleu. Pourtant le ciel ne paraît pas violet. La raison est hors de la formule : le soleil émet peu de violet au départ, et l'œil humain y est peu sensible.
C'est un exemple important, je crois. La formule nous dit « ce qui se passe », mais pas « comment on le voit ». Il faut combiner les propriétés de la source lumineuse et celles du récepteur pour obtenir la réponse complète.
La puissance 4 est le point clé. Un écart de longueur d'onde d'à peine 1,4 fois change la diffusion de plus de 4 fois. Cette « puissance 4 » détermine la couleur du ciel.
Lycée+À noter, la lumière diffusée est polarisée. La lumière du ciel, à 90 degrés du soleil, est particulièrement fortement polarisée. C'est pourquoi, avec des lunettes de soleil polarisantes, incliner la tête change la luminosité perçue du ciel. On pense que les abeilles lisent ce motif de polarisation pour s'orienter.
UniversitéPourquoi une puissance 4 ?
La lumière est une onde électromagnétique. Quand elle heurte une molécule d'air, les électrons de la molécule sont mis en vibration par le champ électrique de la lumière. Une charge en vibration émet elle-même une nouvelle onde électromagnétique (rayonnement dipolaire). C'est cela, la lumière diffusée.
Or l'accélération de l'électron est proportionnelle au carré de la fréquence, et la puissance rayonnée est proportionnelle au carré de l'accélération. En combinant les deux, on obtient une proportionnalité à la puissance 4 de la fréquence, soit à la puissance −4 de la longueur d'onde. C'est l'origine de la loi de Rayleigh.
Plus généralement, quand la taille des particules devient comparable ou supérieure à la longueur d'onde, il faut recourir à la théorie de Mie, solution exacte des équations de Maxwell pour une sphère. Plus les particules sont grandes, plus la dépendance à la longueur d'onde s'affaiblit, jusqu'à donner un blanc, comme pour les nuages. Le bleu du ciel (molécules) et le blanc des nuages (gouttelettes d'eau) sont les deux extrémités d'un même phénomène de diffusion, selon la taille des particules.
RechercheCe qui reste débattu
- Le bleu profond du crépuscule ne s'explique pas seulement par la diffusion de Rayleigh. Après le coucher du soleil, il existe un moment où le ciel devient d'un bleu intense. On sait désormais que l'absorption par l'ozone y joue un rôle important. L'ozone absorbe faiblement les longueurs d'onde orange à rouge du visible, et cet effet s'accumule quand la lumière traverse une longue distance d'atmosphère. L'explication scolaire « le bleu du ciel s'explique par la diffusion de Rayleigh » est insuffisante pour ce moment précis. La façon d'évaluer la part respective de l'ozone et de la diffusion de Rayleigh reste un sujet de recherche.
- Prédire « numériquement » la couleur exacte du ciel reste difficile aujourd'hui. La couleur réelle du ciel dépend de nombreux facteurs : quantité et type d'aérosols (poussières, particules fines), vapeur d'eau, ozone, réflexion du sol, etc. Les calculs de transfert radiatif sont très avancés, mais reproduire exactement la couleur du ciel d'un jour et d'un lieu donnés demande des données atmosphériques d'une précision qu'on n'a pas toujours.
- Des recherches tentent de lire l'état de l'atmosphère passée à partir de tableaux anciens. On a essayé d'estimer la quantité d'aérosols après de grandes éruptions volcaniques à partir des teintes de couchers de soleil peints à l'époque. Mais la difficulté de traiter le style du peintre ou le vieillissement des pigments laisse les conclusions incertaines.
- La perception de direction par la polarisation n'est pas non plus totalement élucidée. L'utilisation par les insectes du motif de polarisation du ciel est bien établie, mais les détails du traitement de cette information, ainsi que le mécanisme du phénomène par lequel l'humain perçoit très faiblement la polarisation (le pinceau de Haidinger), restent étudiés.
Même la couleur du ciel que nous voyons chaque jour reste difficile à prédire précisément par le calcul.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés de la lumière / prisme et couleurs | La lumière blanche comme mélange de couleurs, notion de diffusion |
| Lycée | Physique de base : ondes / propriétés de la lumière | Correspondance longueur d'onde-couleur, domaine du visible |
| Lycée+ | Physique : ondes / polarisation (souvent en approfondissement) | Loi en puissance 4 de la longueur d'onde, polarisation de la lumière diffusée |
| Université | Électromagnétisme, optique, physique de l'atmosphère | Rayonnement dipolaire, théorie de Mie, transfert radiatif |
| Université | Physiologie, science de la couleur | Sensibilité des cônes rétiniens, pourquoi le violet n'est pas perçu |
| Recherche | Optique atmosphérique (non résolu) | Contribution de l'ozone, prédiction quantitative de la couleur du ciel, perception de la polarisation |
- Rayleigh, Lord (J. W. Strutt), On the light from the sky, its polarization and colour, Philosophical Magazine, 1871 (article original sur la diffusion de Rayleigh).
- Bohren, C. F. & Huffman, D. R., Absorption and Scattering of Light by Small Particles (manuel de référence sur la théorie de la diffusion).
- Hulburt, E. O., Explanation of the brightness and color of the sky, particularly the twilight sky, Journal of the Optical Society of America 43, 113–118, 1953 (bleu du ciel au crépuscule et contribution de l'ozone).
- Lynch, D. K. & Livingston, W., Color and Light in Nature (ouvrage de référence sur les couleurs dans la nature).
- Explications de l'Agence météorologique japonaise (気象庁) sur les phénomènes d'optique atmosphérique.
※ Les valeurs de longueur d'onde et de rapport de diffusion varient selon la couleur prise comme référence. Cet article donne les valeurs indicatives généralement utilisées.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères pour comprendre le mécanisme et peuvent varier selon les conditions. Par ailleurs, regarder directement le soleil peut endommager les yeux : limitez toute observation à la lumière faible du lever ou du coucher, et pour une courte durée.