Maman, papa, pourquoi le ciel est-il bleu ?
Introduction
Pourquoi le ciel est-il bleu ? C’est la quintessence de la question d’enfant, qui laisse les parents perplexes. Mais si votre enfant vous posait la question, pourriez-vous lui répondre ? Dans cet article, nous allons droit à l’essentiel pour faire de vous l’expert de la couleur du ciel.
- Qu’est-ce qui rend le ciel bleu ?
- La Terre a une atmosphère
- Pourquoi le ciel est-il bleu depuis l’espace ?
- Pourquoi la lumière rouge et la lumière verte ne se dispersent-elles pas dans le ciel ?
- Le ciel est-il toujours bleu ? Pourquoi les couchers de soleil sont-ils rouges ou orange ?
- Pourquoi les longueurs d’onde bleues plus courtes diffusent-elles plus que les rouges et les verts (plongée profonde) ?
Figure 1 Pourquoi le ciel est-il bleu ?
Qu’est-ce qui rend le ciel bleu ?
La réponse se trouve dans la manière dont la lumière bleue se diffuse dans l’atmosphère. En d’autres termes, ce qui rend le ciel bleu pendant la journée est le fait que les longueurs d’onde bleues de la lumière du soleil sont diffusées plus efficacement par l’atmosphère que les autres couleurs, ce qui fait que le ciel apparaît bleu dans toutes les directions.
Pour comprendre la réponse longue, vous devez savoir un certain nombre de choses. Tout d’abord, la lumière du soleil contient toutes les couleurs de l’arc-en-ciel (rouge, bleu, vert, etc.). Vous devez également savoir que, dans l’ensemble, la lumière se déplace en ligne droite.
Figure 2 Nous ne voyons que la lumière qui frappe directement nos yeux.
Le soleil étant une sphère, sa lumière se propage dans toutes les directions. Mais nous ne voyons que la lumière qui frappe directement nos yeux. Nous ne voyons pas toutes les autres lumières qui partent dans d’autres directions. Il y a encore une chose que vous devez savoir et qui est expliquée ci-dessous.
La Terre a une atmosphère
L’atmosphère terrestre contient des particules comme l’oxygène et l’azote. Les photons de lumière bleue provenant du soleil frappent ces particules et se dispersent dans toutes les directions.
Figure 3 La lumière bleue frappe les particules de l’atmosphère et se diffuse.
Une partie de la lumière bleue diffusée atteint nos yeux et c’est ce qui donne au ciel son aspect bleu. En réalité, ce sont des milliards et des milliards de photons de lumière bleue qui sont diffusés dans le ciel, ce qui rend le ciel bleu dans son ensemble.
Figure 4 Des milliards de milliards de lumière bleue dispersée donnent au ciel une apparence bleue.
Sans l’atmosphère, le ciel serait sombre à tout moment de la journée.
S’il n’y a pas d’atmosphère, il n’y a pas de diffusion de la lumière et le ciel apparaît sombre, même avec le soleil au-dessus de la tête. Avez-vous vu les photos de l’alunissage ? Le ciel est toujours sombre parce qu’il n’y a pas d’atmosphère et qu’il n’y a pas de diffusion de la lumière dans le ciel.
Figure 5 L’absence d’atmosphère signifie qu’il n’y a pas de diffusion et que le ciel est sombre.
Pourquoi le ciel est-il bleu depuis l’espace ?
Depuis l’espace, les astronautes ne voient pas un ciel bleu les entourer. En effet, ils se trouvent en dehors de la partie dense de l’atmosphère terrestre, où il n’y a pas assez de molécules d’air pour disperser la lumière du soleil dans toutes les directions. Sans cette diffusion, le ciel apparaît noir, même lorsque le soleil brille intensément.
Toutefois, cela ne signifie pas que la Terre elle-même n’est pas bleue. Vue de l’espace, la planète apparaît toujours bleue en raison de la réflexion des océans et de la diffusion de la lumière solaire dans l’atmosphère terrestre, en particulier le long du bord incurvé de la planète.
Cette distinction met en évidence un concept important : un ciel bleu exige que l’observateur se trouve à l’intérieur de l’atmosphère, alors qu’une Terre bleue peut être vue de loin, car la lumière du soleil interagit avec la planète dans son ensemble.
Pourquoi la lumière rouge et la lumière verte ne se dispersent-elles pas dans le ciel ?
La principale différence entre un photon bleu et la lumière verte/rouge est leur longueur d’onde. Les longueurs d’onde bleues sont plus courtes que les longueurs d’onde vertes ou rouges, c’est pourquoi elles se dispersent plus facilement lorsqu’elles rencontrent des particules atmosphériques.
Figure 6 Les longueurs d’onde se raccourcissent lorsque l’on passe du rouge au vert puis au bleu.
Les photons rouges et verts se dispersent, mais moins que les photons bleus. La plupart des photons rouges et verts du soleil voyagent en ligne droite en s’éloignant du soleil et n’atteignent jamais nos yeux.
Le ciel est-il toujours bleu ? Pourquoi les couchers de soleil sont-ils rouges ou orange ?
Cela est également lié à l’atmosphère, mais c’est un peu plus délicat. L’atmosphère a une épaisseur uniforme autour de la Terre. Cependant, votre position par rapport au soleil modifie l’épaisseur de l’atmosphère que la lumière traverse. Pour comprendre cela, vous devez examiner la situation visuellement.
Figure 7 L’horizon est rouge parce que la lumière doit traverser plus d’atmosphère au coucher du soleil.
La lumière du soleil à midi traverse l’atmosphère avec une certaine épaisseur. En revanche, le soleil à l’aube est plus bas dans le ciel et doit traverser une plus grande épaisseur d’atmosphère en raison de l’angle que vous formez avec le soleil par rapport au soleil et à l’atmosphère.
Figure 8 La lumière traverse plus d’atmosphère au coucher du soleil qu’à midi.
Cette distance donne aux photons bleus plus de temps pour se disperser loin de nous, car les angles s’élargissent à mesure que la distance augmente. La lumière rouge et la lumière verte apparaissent donc principalement. Lorsque le vert et le rouge sont combinés, on obtient la lueur orange du coucher de soleil. N’oubliez pas que le rouge et le vert ne se dispersent pas autant.
Figure 9 Une grande partie de la lumière bleue a été dispersée avant de pouvoir nous atteindre, nous laissant avec la lueur orange de la lumière rouge/verte.
Pourquoi les longueurs d’onde bleues plus courtes diffusent-elles plus que les rouges et les verts (plongée profonde) ?
Nous appelons ce phénomène de diffusion l’effet Rayleigh, du nom de Lord Rayleigh, également connu sous le nom de John William Strutt, qui a écrit sur ce sujet au 19e siècle. Il a expliqué la relation entre la diffusion et les longueurs d’onde de la lumière à l’aide de la formule de la figure 10. Fondamentalement, Lamda (λ) est la longueur d’onde, et sigma (σ) peut être considéré comme la quantité de diffusion.
Figure 10 – L’équation de Rayleigh explique la proportion inverse de la diffusion par rapport à la longueur d’onde.
Lorsque votre Lamda (λ) ou longueur d’onde diminue, la valeur sigma (σ) augmente. Par conséquent, une longueur d’onde plus courte (λ), par exemple le bleu, aura un sigma ou un effet de diffusion plus important, et moins pour le vert, et encore moins pour le rouge. C’est ce que montre le spectre de la figure 11.
Figure 11 – Ce spectre du ciel à midi montre que le bleu diffuse plus que le vert, qui diffuse plus que le rouge (à l’exception du rouge lointain), conformément à l’équation de la proportion inverse de la figure 10.
L’effet Rayleigh explique le comportement, mais pas la raison. La raison de la quantité de diffusion par rapport à la longueur d’onde du photon implique les interactions quantiques entre la lumière et les particules.
Cela a été expliqué beaucoup plus tard dans un article intitulé « The Quantum Theory of Atomic Rayleigh Scattering », rédigé par A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. Doronin, E. S. Andrianov, A. A. Pukhov et A. A. Lisyansky (2020). Cette publication traite en profondeur des particules subatomiques, des états des électrons et de l’enchevêtrement des particules, ce qui dépasse largement le cadre de cet article (veuillez consulter les crédits de fin de publication).
Figure 12 – Le spectre au crépuscule – plus de lumière rouge et verte au-dessus de l’horizon.
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Résumé
La raison pour laquelle le ciel est bleu n’est pas si difficile à trouver. La lumière du soleil contient toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Les couleurs bleues se dispersent dans le ciel dans toutes les directions parce qu’elles rencontrent des particules dans l’atmosphère (par exemple, l’oxygène, l’azote). Une partie de cette couleur bleue dispersée atteint nos yeux et fait paraître le ciel bleu. Les autres couleurs (rouge, vert, etc.) ne se diffusent pas aussi bien parce qu’elles ont des longueurs d’onde plus grandes.
C’est pourquoi le ciel est bleu.
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Figure 13 – Les mamans et les papas peuvent aussi être des scientifiques !
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Références :
- XXXIV. Sur la transmission de la lumière à travers une atmosphère contenant de petites particules en suspension, et sur l’origine du bleu du ciel | William John Strut a.k.a Lord Rayleigh |1899 | https://zenodo.org/records/1431249
- Théorie quantique de la diffusion atomique de Rayleigh | A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. Doronin, E. S. Andrianov, A. A. Pukhov et A. A. Lisyansky | Octobre 2020. |https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-2-2501&id=446591.
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