Pourquoi le ciel est-il bleu,
et le coucher de soleil rouge ?
Bleu le jour, rouge le soir. Même ciel, même soleil, mais les couleurs s'inversent. En réalité, ces deux phénomènes n'en sont qu'un seul, vu de deux côtés. L'air « disperse le bleu » : c'est pour cela que le ciel paraît bleu le jour et rouge le soir.
Par une journée claire, 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 même en regardant loin du Soleil, le ciel reste bleu. De la lumière bleue nous parvient donc d'une direction où il ne devrait rien y avoir.
Puis vient le soir. Le même Soleil devient rouge. Sa température n'a pas baissé, sa couleur n'a pas changé.
Ce qui a changé, ce n'est pas le Soleil, mais la quantité d'air que sa lumière a traversée avant d'arriver jusqu'à nous.
Les molécules d'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 rouge. C'est pourquoi le bleu tombe de tout le ciel.
Le soir, la lumière traverse une épaisseur d'air bien plus grande que le jour. Le bleu est dispersé et épuisé en route ; seul le rouge restant nous parvient.
En somme, le ciel bleu et le coucher de soleil sont le même phénomène, vu soit du côté « dispersé », soit du côté « ce qui reste ». Voyons cela en détail.
Qu'est-ce que « disperser », au fond ?
La lumière du Soleil est une lumière blanche, mélange de plusieurs couleurs. Si elle se décompose en couleurs d'arc-en-ciel dans un prisme, c'est que ce mélange peut être séparé.
Quand cette lumière traverse l'air, elle heurte les molécules (azote, oxygène). Une partie de la lumière cesse alors d'aller tout droit et repart dans toutes les directions. C'est ce qu'on appelle la diffusion.
Ce qui compte, c'est que cette tendance à être dispersée varie énormément selon la couleur. La lumière a une nature ondulatoire, et la finesse de l'onde (la longueur d'onde) dépend de la couleur. Le rouge a une onde ample, le bleu une onde fine.
Plus l'onde est fine, plus elle est accrochée par de petites particules. Les molécules d'air sont bien plus petites que la longueur d'onde de la lumière, ce qui rend cet effet extrême. En gros, 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, on y voit arriver de la lumière bleue.
Autrement dit, le ciel est bleu parce que l'air lui-même semble « briller ». Sur la Lune, sans atmosphère, le ciel reste noir même en plein jour : faute de quoi disperser la lumière, rien ne vient d'ailleurs que du Soleil.
Alors pourquoi le ciel n'est-il pas « violet » ?
Une question pertinente se pose ici. Il existe une couleur dont la longueur d'onde est encore plus fine que le bleu : le violet. Si plus l'onde est fine, plus elle est dispersée, le ciel ne devrait-il pas être violet ?
C'est une excellente question, et la réponse tient à plusieurs raisons combinées. Au moins ces trois-là :
- La lumière solaire contient déjà peu de violet. Le Soleil émet moins de lumière dans le violet que dans le bleu. Même si elle est très dispersée, s'il y en a peu au départ, la quantité reste faible.
- Le violet est réduit en haute atmosphère. Dans les couches supérieures, une partie du violet et des ultraviolets est absorbée. Moins en arrive jusqu'au sol.
- L'œil humain réagit peu au violet. Les cellules de l'œil qui perçoivent les couleurs réagissent bien au bleu, mais moins au violet. Et quand violet et bleu se mélangent, le cerveau les perçoit comme un « blanc bleuté ».
Autrement dit, le bleu du ciel résulte non seulement de la physique, mais aussi des propriétés du Soleil et de celles de l'œil humain, réunies. Un être vivant aux yeux différents verrait sans doute ce même ciel d'une autre couleur.
Le Soleil, l'air et l'œil y travaillent ensemble.
Pourquoi le coucher de soleil est rouge
Le soir, le Soleil est proche de l'horizon. Sa lumière nous parvient alors en traversant une épaisseur d'air bien plus oblique et bien plus longue qu'à la verticale. Près de l'horizon, on estime que la lumière traverse plusieurs dizaines de fois plus d'air qu'à midi.
Sur cette longue distance, la lumière bleue est dispersée de plus en plus. Dispersé, le bleu part de côté et disparaît de la lumière qui continue tout droit vers nos yeux.
Ce qui survit jusqu'au bout, c'est la couleur la moins facilement dispersée ― le rouge et l'orange. D'où le soleil rouge et le ciel teinté d'orange au coucher.
Voici ce qui est fascinant : le ciel bleu et le coucher de soleil viennent tous deux d'un seul fait, le bleu se disperse facilement. Regarder le bleu dispersé de côté, c'est le ciel bleu ; regarder le rouge survivant de face, c'est 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 à la longueur d'onde de la lumière, voire plus grandes. À cette taille, la différence entre les couleurs disparaît presque, et toutes sont dispersées de façon semblable. Le mélange de toutes les couleurs donne du blanc. C'est la même raison pour la glace pilée ou la mousse blanche.
- Pourquoi les couchers de soleil deviennent extraordinairement vifs après une éruption volcanique : les fines particules des cendres restent longtemps dans le ciel et modifient la façon dont la lumière est dispersée. Après de grandes éruptions historiques, des couchers de soleil anormaux ont été rapportés dans le monde entier (voir le mécanisme des éruptions).
- Pourquoi les montagnes lointaines paraissent bleutées : l'air entre la montagne et l'observateur disperse la lumière bleue qui nous parvient. Plus la distance est grande, plus le bleu domine. Les peintres qui teintent de bleu les arrière-plans dans leurs paysages ne font que reproduire cet effet.
- Le dicton « après un beau coucher de soleil, il fait beau le lendemain » : près du Japon, le temps évolue souvent de l'ouest vers l'est, et un beau coucher de soleil signifie peu de nuages à l'ouest. Le dicton a donc un fondement réel.
Une expérience à faire dans la cuisine
- Remplissez d'eau un verre ou une bouteille transparente
- Ajoutez juste quelques gouttes de lait et mélangez légèrement (l'astuce : ne pas en mettre trop ; l'eau doit seulement se troubler légèrement)
- Dans une pièce sombre, éclairez l'eau de côté avec la lumière d'un téléphone, et regardez-la de côté → elle paraît bleu pâle
- Placez ensuite la lumière du côté opposé et regardez depuis la direction où la lumière a traversé l'eau → elle paraît orange
- Plus le récipient est long et la distance parcourue grande, plus l'orange s'intensifie
Les fines particules du lait jouent le rôle des molécules d'air. Vu de côté, c'est le ciel bleu ; vu dans l'axe de la lumière traversée, c'est le coucher de soleil. La même eau montre deux couleurs selon l'angle 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 surtout la lumière bleue. Le coucher de soleil est rouge à cause de cette même propriété, qui fait perdre le bleu sur un long trajet. Un seul fait, vu sous deux angles différents.
Le ciel bleu et le coucher de soleil ne sont pas deux phénomènes séparés.
Ce sont les deux faces d'une même chose.
Ce même phénomène ― « la lumière qui a traversé un long trajet devient rouge » ― explique aussi pourquoi la Lune paraît rouge lors d'une éclipse totale. Les détails sont expliqués dans cet article. Vous pouvez aussi lire l'article sur le bleu de l'océan, qui est bleu pour un mécanisme totalement différent. Enfin, les ultraviolets, dont la longueur d'onde est encore plus courte que le bleu, sont dispersés encore plus intensément depuis tout le ciel. Pour savoir pourquoi on peut attraper un coup de soleil même par temps couvert, voir cet article.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu niveau collège aux sujets de recherche actuels, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeniveau du programme de sciences au collège
- Lycéeniveau du programme de « physique de base » au lycée
- Lycée+niveau « physique » du lycée, ou contenu approfondi/encadré du manuel
- Universitécontenu non enseigné au lycée, relevant d'une discipline universitaire spécialisée (électromagnétisme, optique atmosphérique)
- Recherchesujet qui n'est pas encore enseigné comme « établi » même à l'université, et que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : les mots autour de la lumière et des couleurs
- Longueur d'onde : la finesse de l'onde lumineuse. Dans le visible, environ de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge). nm = nanomètre (un millionième de millimètre).
- Dispersion : décomposition de la lumière blanche en couleurs d'arc-en-ciel par un prisme (voir le mécanisme de l'arc-en-ciel). Elle se produit parce que l'angle de réfraction diffère selon la couleur.
- Diffusion : changement de direction de la lumière au contact de particules. C'est ce que le texte appelle « disperser ».
- Diffusion de Rayleigh : diffusion lorsque les particules sont bien plus petites que la longueur d'onde. C'est le cas des molécules d'air. C'est elle qui est à l'origine du bleu du ciel.
- Diffusion de Mie : diffusion lorsque les particules sont de taille comparable ou supérieure à la longueur d'onde. C'est le cas des nuages, du brouillard ou des gouttelettes de lait, où la différence entre couleurs s'atténue.
LycéeLycée+Vérifions par le calcul : combien de fois le bleu est-il plus dispersé que le rouge ?
On peut vraiment calculer ceci. Une seule relation suffit, avec seulement une division et une puissance.
I ∝ 1 / λ⁴
| I intensité de la diffusion | à quel point la lumière est déviée |
| λ longueur d'onde de la lumière | en nm (nanomètres) |
| ∝ proportionnel à | symbole de « proportionnalité », pas d'égalité |
Autrement dit : 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, il ne reste qu'un rapport de λ élevé à la puissance 4.
| Longueur d'onde du bleu | λ ≈ 450 nm |
| Longueur d'onde du rouge | λ ≈ 650 nm |
| Rapport à poser | bleu ÷ rouge = (650 ÷ 450)⁴ |
| D'abord, le contenu de la parenthèse | 650 ÷ 450 ≈ 1,44 |
| Puis à la puissance 4 | 1,44⁴ ≈ 4,3 |
| Résultat | le bleu est dispersé environ 4,3 fois plus que le rouge |
L'écart de longueur d'onde n'était que de 1,44 fois, et pourtant le résultat atteint 4,3 fois. C'est la force de la puissance 4 qui se révèle ici. Voilà l'essentiel du « ciel bleu ».
Le rouge du soir vient du fait que la longueur d'air traversée change. Plus le Soleil est bas, plus la lumière parcourt une longue distance dans l'air. Cette longueur se calcule aussi.
| Longueur à la verticale | posée à 1 |
| À 30° de hauteur | 1 ÷ 0,50 = 2,0 fois |
| À 10° de hauteur | 1 ÷ 0,17 ≈ 5,9 fois |
Plus le trajet est long, plus le bleu, facilement dispersé, part de côté et s'épuise en chemin. Ce qui atteint l'œil tout droit n'est plus que du rouge, difficile à disperser. Le bleu est fort, donc le ciel est bleu ; et comme ce même bleu disparaît en premier, le coucher de soleil est rouge. Les deux sont les faces d'une même formule.
※ 0,50 et 0,17 sont les sinus des angles correspondants. Dans la réalité, l'atmosphère s'amincit avec l'altitude, donc le trajet réel près de l'horizon 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, donc le ciel ne devrait-il pas être violet ? Calculons.
| Longueur d'onde du violet | λ ≈ 400 nm |
| Rapport par rapport au rouge | (650 ÷ 400)⁴ ≈ 7,0 fois |
D'après le calcul, le violet est encore plus dispersé que le bleu. Et pourtant le ciel ne paraît pas violet. La raison se trouve hors de la formule : la lumière solaire contient déjà peu de violet, et l'œil humain y est peu sensible.
C'est, je crois, un exemple important. La formule indique « ce qui se passe », mais pas « comment on le voit ». Il faut combiner les propriétés de la source lumineuse et celles de l'observateur pour obtenir la réponse finale.
Le point clé, c'est cette forte dépendance à la puissance 4. Un écart de seulement 1,4 fois sur la longueur d'onde change la diffusion de plus de 4 fois. C'est cette « puissance 4 » qui décide de la couleur du ciel.
Lycée+Au fait, la lumière diffusée est polarisée. La lumière du ciel à 90° du Soleil est particulièrement polarisée. Avec des lunettes polarisantes, en inclinant la tête, on voit la luminosité du ciel changer pour cette raison. 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 frappe une molécule d'air, les électrons de la molécule sont mis en vibration par le champ électrique de la lumière. Une charge qui vibre émet elle-même une nouvelle onde électromagnétique (rayonnement dipolaire). C'est l'origine de 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. Ensemble, cela donne 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 résoudre exactement les équations de Maxwell pour une sphère : c'est la théorie de Mie. Plus la particule est grande, plus la dépendance à la longueur d'onde s'affaiblit, jusqu'à donner le blanc des nuages. Le bleu du ciel (molécules) et le blanc des nuages (gouttelettes d'eau) sont les deux extrêmes d'un même phénomène de diffusion, selon la taille des particules.
RechercheCe qui fait encore débat
- Le bleu profond du crépuscule ne s'explique pas par la seule diffusion de Rayleigh. Après le coucher du soleil, il existe un moment où le ciel devient d'un bleu intense. On découvre qu'une absorption par l'ozone joue un grand rôle dans cette couleur. L'ozone absorbe faiblement les longueurs d'onde orange à rouge du visible, et cet effet s'accumule quand la lumière traverse une très grande épaisseur d'atmosphère. L'explication scolaire « le bleu du ciel s'explique par la diffusion de Rayleigh » est insuffisante pour ce moment précis. La part respective de l'ozone et de la diffusion de Rayleigh reste un sujet de recherche actif.
- Prédire numériquement, avec précision, la couleur 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 exige de connaître les conditions atmosphériques avec une précision que l'on n'a pas toujours.
- Des tentatives existent pour lire l'atmosphère passée dans des tableaux anciens. Des chercheurs essaient d'estimer la quantité d'aérosols après de grandes éruptions à partir des teintes des couchers de soleil peints à l'époque. Mais la difficulté de distinguer le style du peintre et le vieillissement des pigments laisse les conclusions incertaines.
- La perception de direction par polarisation n'est pas non plus totalement comprise. Le fait que les insectes utilisent le motif de polarisation du ciel est établi, mais le détail de ce traitement de l'information, ainsi que le mécanisme du phénomène par lequel l'humain perçoit faiblement la polarisation (le pinceau de Haidinger), font encore l'objet de recherches.
Même la couleur du ciel que nous voyons chaque jour n'est pas encore facile à prédire numériquement de façon exacte.
Liens avec les programmes scolaires (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, principe de la diffusion |
| Lycée | Physique de base・ondes / propriétés de la lumière | Correspondance longueur d'onde-couleur, étendue du visible |
| Lycée+ | Physique・ondes / polarisation (souvent en encadré dans les manuels) | Loi de la puissance 4 de la longueur d'onde, polarisation de la lumière diffusée |
| Université | Électromagnétisme・optique・physique atmosphérique | Rayonnement dipolaire, théorie de Mie, transfert radiatif |
| Université | Physiologie・science des couleurs | Sensibilité des cônes, pourquoi le ciel ne paraît pas violet |
| 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 crépusculaire et contribution de l'ozone).
- Lynch, D. K. & Livingston, W., Color and Light in Nature (ouvrage de référence sur les couleurs dans la nature).
- Agence météorologique japonaise (気象庁), explications sur les phénomènes d'optique atmosphérique.
※ Les valeurs de longueur d'onde et de rapport de diffusion varient selon la valeur représentative choisie pour chaque couleur. Cet article présente les ordres de grandeur généralement utilisés.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs données sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension et peuvent varier selon les conditions. Par ailleurs, regarder le Soleil directement peut abîmer les yeux : limitez toute observation à une lumière faible, près du coucher du soleil, et pour une courte durée.