Couleur du ciel

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Bleus du ciel.

La couleur du ciel résulte de l'interaction entre la lumière du Soleil et les molécules et particules contenues dans l'atmosphère terrestre.

La diffusion des ondes du rayonnement solaire à travers l'atmosphère sans nuages affecte plus les parties les plus énergétiques du spectre lumineux, qui correspondent à la couleur bleue dans la vision humaine. Ces parties à courte longueur d'onde sont plus abondantes dans la diffusion que dans la lumière directe : le ciel est bleu. Un nuage, constitué de gouttelettes d'eau en suspension, diffuse à peu près également toutes les parties du spectre : il apparaît blanc.

La perception de la couleur du ciel dépend aussi de l'adaptation visuelle chromatique.

Couleurs du ciel[modifier | modifier le code]

« Il serait plus juste de parler des couleurs du ciel, car on peut y admirer, avec les teintes bleues ou presque violacées du zénith, les orangés et les rouges crépusculaires. Pour ne pas citer les grandes draperies lumineuses des aurores boréales et la palette de l'arc-en-ciel »

— A. Villevielle[1].

Sur Terre et par temps clair en pleine journée, les nuances de bleu varient selon la direction par rapport au soleil, l'heure, la région de l'observation et l'altitude. La couleur du ciel par beau temps se dénomme bleu ciel ou azur. Plusieurs pigments permettent d'obtenir en peinture la nuance d'azur des ciels européens. Au XIXe siècle, le marchant de couleurs Rowney a commercialisé sous le nom de cæruleum, « couleur ciel » en latin, un pigment bleu ciel dont la propriété de paraître bleu même à la lumière des bougies a fait le succès.

Physique de la couleur[modifier | modifier le code]

Absorption du rayonnement électromagnétique par l'atmosphère terrestre dans le domaine entre l'ultraviolet et les micro-ondes.

Ciel bleu de jour[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Diffusion Rayleigh et Théorie de Mie.

Durant la journée, hors des phases où le Soleil se lève ou se couche, on peut observer que le ciel est d'un bleu insaturé dans toutes les directions hormis celle du Soleil et très lumineux et blanc dans la direction du Soleil.

Diagramme indiquant les principaux absorbeurs dans l'atmosphère et la part transmise de la lumière solaire.

Pendant la journée, la lumière solaire prédomine ; la quantité de lumière provenant d'autre astres est négligeable. Par temps clair— c'est-à-dire dans un ciel sans nuage avec peu ou pas de poussière en suspension —, une partie de cette lumière atteint la surface du sol en rayons spéculaires, après avoir subi des réfractions. Une autre partie interagit avec les molécules de l'atmosphère. Les molécules de diazote, qui occupent 78 % du volume de l'atmosphère terrestre, et celles de dioxygène, qui occupent 20 %, agissent sur la lumière incidente[2].

La lumière est une onde électromagnétique. Lorsque le champ électromagnétique de la lumière arrive sur une molécule ou un atome, il déforme le nuage électronique de celui-ci et va créer un dipôle électrostatique qui va émettre une onde électromagnétique à son tour. Cette onde peut être émise dans n'importe quelle direction, avec une intensité dépendant tout-de-même de l'angle de l'onde incidente.

Dispersion de la lumière par de très petites particules selon la loi de Rayleigh.

La lumière est diffusée selon le modèle de Rayleigh lorsque les molécules mises en jeu ont une taille de l'ordre du dixième de la longueur d'onde ou moins, ce qui est le cas pour les molécules mises en jeu dans l'atmosphère terrestre puisque le diamètre d'une molécule de diazote est de 0,315 nm, celle de dioxygène de 0,292 nm[3]. La puissance moyenne diffusée par une molécule dans le modèle de Rayleigh suit :

.

Où :

On a l'habitude de désigner les rayonnement lumineux par leur longueur d'onde dans le vide. Ils s'étalent, dans l'ordre des couleurs de l'arc-en-ciel, du rouge vers 600 nm au violet vers 400 nm. La pulsation de l'onde étant inversement proportionnelle à la longueur d'onde, celle du violet est environ 3/2 de celle du rouge. Dans l'équation, elle vient à la puissance 4 ; la diffusion affecte donc la lumière violette 81/16, à peu près cinq fois plus que celle du rouge.

De ce fait le rayonnement qui parvient du Soleil est pondéré par un facteur proportionnel à  : la partie du spectre visible proche du bleu est donc diffusée et observable partout dans le ciel alors que les rouges traversent l'atmosphère quasiment directement[2].

Dans le modèle de Rayleigh, l'intensité diffusée est

  • N est le nombre de particules
  • est la longueur d'onde de la lumière incidente
  • est la polarisabilité
  • est l'angle entre l'onde incidente et l'observateur

Dans la journée, le soleil est haut dans le ciel et l'ensemble de l'atmosphère diffuse la couleur bleue plus fortement que le rouge. En revanche, au lever ou au coucher du soleil, c'est la lumière rouge qui nous parvient lorsqu'on regarde en direction du soleil, puisqu'elle est moins diffusée.

La couleur du ciel dépend de l'incidence des rayons solaires, variant avec les heures et les saisons, et avec la composition de l'atmosphère, principalement de la quantité et de la taille des gouttelettes d'eau qu'elle contient en suspension. En altitude, où les gouttelettes d'eau dans l'air sont plus rares, la dispersion est moins forte.Le ciel est moins lumineux, ce qui donne un bleu plus profond.

Si l'atmosphère est en général suffisamment peu saturée de particules en altitude, les couches les plus basses de l'atmosphère contiennent des aérosols et des poussières qui modifient le processus physique mis en jeu : la diffusion de Mie intervient à ces altitudes plus basses[4]. Parmi les aérosols, les gouttelettes d'eau en suspension qui forment les nuages sont les plus courants. La diffusion de Mie est uniforme pour le spectre visible ; les nuages apparaissent donc de la couleur de la lumière qui les éclaire, c'est dire qu'ils sont blancs ou gris.

Polarisation de la lumière venant du ciel[modifier | modifier le code]

Si l'on observe le ciel dans une direction formant un angle α avec la direction du Soleil, le rayonnement est d'autant plus polarisé que la direction d'observation s'éloigne de celle de l'astre. La direction dominante est perpendiculaire à la direction du soleil et le taux de polarisation de la lumière par la diffusion Rayleigh est de[5] :

Comme la diffusion Rayleigh est prépondérante, la lumière venant d'une direction perpendiculaire à celle du Soleil est ainsi presque complètement polarisée. La diffusion Rayleigh étant inversement proportionnelle au carré de la longueur d'onde, elle produit une lumière bleue, dont on exploite la polarisation en photographie pour obtenir des ciels d'un bleu plus profonds.

Couleur du ciel au coucher et lever de Soleil[modifier | modifier le code]

Le ciel lors de l'aube ou du crépuscule est composé de plusieurs couleurs, en général chaudes comme des oranges et rouges[6]. Durant ces périodes de la journée la diffusion de Rayleigh n'est pas le seul phénomène en jeu. La couche d'ozone, traversée par la lumière solaire sur une plus grande distance lorsque le Soleil est à l'horizon, absorbe une partie du rayonnement lumineux et va donner le bleu sombre du ciel au zénith lors du crépuscule[2]. La diffusion demeure cependant le phénomène principal et comme la couche d'atmosphère traversée par le Soleil est près de 10 à 15 fois supérieure lorsque le Soleil est à l'horizon comparé à sa position zénithale, la diffusion des longueurs d'onde les plus courtes (violet et bleu) les dissipe quasiment entièrement donnant la couleur rouge et orangée du ciel dans la direction du Soleil lors de son coucher[7].

Le ciel de nuit[modifier | modifier le code]

Grande Ourse et Petite Ourse visibles dans le ciel de nuit.

Le ciel nocturne est privé de la lumière du Soleil. Par conséquent, il fait noir, ce qui permet d'observer des milliers d'étoiles scintiller dans le ciel. Les étoiles sont toujours présentes durant la journée (les plus brillantes sont visibles à l'aide d'un télescope), mais ne peuvent être vues, car le Soleil leur fait concurrence.

Le paradoxe d'Olbers dit « du ciel de feu » est une contradiction, si l'on supposait l'univers fixe, entre le ciel noir de la nuit et une infinité d'étoiles dans un univers infini.

Perception humaine de la couleur[modifier | modifier le code]

La vision humaine s'adapte à la lumière dominante, qui paraît toujours blanche, à moins qu'elle ne soit très différente de la radiation d'un corps noir. Cette propriété permet de reconnaître les objets par leur couleur, même dans des environnements lumineux différents.

La lumière qui vient du ciel est incomparablement plus faible que celle qui vient du soleil, et elle est bien plus riche en courtes longueurs d'onde. Quand le soleil est visible, elle paraît bleue.

L’œil humain contient trois types de photorécepteurs, appelés cônes, chaque type étant sensible à un certain domaine de longueurs d'onde. Les cônes S, pour short wavevelength (longueurs d'onde courtes) ne représentent qu'environ 10 % du total des cônes présents sur la rétine dans la fovéa. Le maximum de sensibilité des cônes S est aux environs de 442 nm, celui des cônes M (pour les moyennes longueurs d'onde) est de 543 nm, des cônes L (longueurs d'onde longues) est de 570 nm[8].

Le processus d'assignation d'une couleur aux signaux envoyés par les cônes est un processus nerveux se déroulant dans le cerveau. La lumière arrivant dans l’œil possède une intensité spectrale particulière qui va susciter une réponse pour chaque type de cône correspondant à l'intégrale du produit de l'intensité spectrale par la réponse spectrale du type de cône en question[8].

L'intensité spectrale de la lumière du ciel est perçue identiquement au mélange d'une lumière blanche et d'une lumière monochromatique. Une modélisation théorique utilisant les courbes théoriques d'intensité spectrale de la lumière diffusée dans le ciel et des sensibilités des cônes donnent[9] :

  • λmonochromatique à 474 nm longueur d'onde à laquelle le cerveau attribue en général le bleu
  • Un rapport de Ilumière blanche sur Iλ de 0,049 ce qui montre que le bleu observé est un bleu insaturé

Ces valeurs ne sont que peu modifiées lorsque les spectres réels du ciel sont pris en compte (λmonochromatique à 476 nm, rapport de Ilumière blanche sur Iλ de 0,063).

Les types de daltonismes, qui sont des anomalies dans la perception des couleurs dues à un manque de photorécepteurs d'un certain type va faire que le ciel n'est pas perçu de la même couleur, ni avec la même saturation que la moyenne de la population[9]. Les tritanopes, dont la populations de cônes S est anormale, perçoivent un ciel vert[10].

La réponse de l’œil humain au spectre lumineux du ciel est le principal obstacle posé lors de l'identification des couleurs du ciel d'autres planètes : les capteurs, filtres et caméras embarquées n'ayant pas les mêmes réponses que l’œil, les captures prises vont présenter un biais et les « couleurs vues » par la sonde vont différer des vraies couleurs.

Couleur du ciel d'autres planètes[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Ciel extraterrestre.
Coucher de Soleil sur Mars, capturé par Spirit dans le cratère Gusev.

Sur Mars, la couleur du ciel a pu être observée par quelques sondes artificielles. En 1976 la sonde Viking 1 indiquait de manière surprenante que le ciel martien était supposément bleu, ce qui fut démenti après la calibration des appareils de la sonde[11]. En effet les acquisitions d'images par Viking 1 se faisaient à l'aide d'une roue à filtre pour les trois couleurs primaires (bleu, rouge et vert), donnant lors des premières captures l'impression que le sol était d'un rouge-orangé intense et le ciel très clair, avec une légère nuance de bleu similaire à un jour couvert sur Terre[12]. L’œil humain a une pondération particulière de ces trois couleurs pour la vision photopique (vision de jour), qui n'avait pas été appliquée correctement pour les images captées par ces filtres.

Le ciel martien est saumon ou écarlate durant le jour. Cette couleur est due aux vents de poussière soulevant de la matière dans l'atmosphère, ce qui la teinte de rouge. Au coucher et au lever du Soleil, le ciel martien change de couleur comme sur Terre, mais sa teinte devient moins rouge[13].

La couleur du ciel vénusien semble être, d'après les sondes soviétiques des années 1980, d'une couleur orange-rouge[11].

Culture[modifier | modifier le code]

Mythologie[modifier | modifier le code]

Le bleu du ciel est associé dans de multiples écrits religieux monothéistes ou polythéistes à des divinités ou des pierres précieuses. Dans l'Exode et le Nouveau Testament, le saphir est l'emblème du ciel en référence au trône de Dieu. Pour les Égyptiens, c'est le lapis-lazuli qui est associé à Amun le créateur du ciel et de la terre. Dans l'hindouisme et le bouddhisme tibétain, le bleu du ciel est aussi la couleur de l'âme[14].

La plupart des dieux associés au ciel étaient supposés porter des ornements ou des vêtements bleus : Mavu, dieu du ciel des Ewe (environs du Ghana), Odin[14]...

Science[modifier | modifier le code]

Dans l'Antiquité la couleur du ciel, outre les différentes mythologies, a trouvé ses premières explications avec les philosophes grecs qui tentaient d'expliquer les phénomènes optiques naturels les entourant. Le bleu du ciel avait pour origine selon eux, le fait que la lumière traversait l'air, et l'air, incolore à l'origine, lorsqu'il se condensait donnait sa couleur bleue ou rouge à la lumière[15].

Leonard Euler explique en 1760 que le bleu du ciel perd de son intensité avec l'altitude[6]. Parmi les spéculations sur la couleur du ciel diurne, par contraste avec celles du ciel de nuit, celles de Goethe se distinguent en ce qu'il fonde sur elle sa théorie des couleurs.

Les recherches prennent un tour plus expérimental avec Horace-Bénédict de Saussure qui utilise vers 1790 un nuancier de 51 bleus qu'il appelle « cyanomètre » pour évaluer celui du ciel. Il montre que la couleur du ciel est plus intense en altitude[16]. Jean-Baptiste Biot construit un instrument qu'il nomme « colorigrade » et montre l'intensité de la couleur est moindre dans une direction proche de celle du Soleil et que sa lumière est polarisée. Vers 1830, François Arago explique que « la lumière bleue du ciel (…) est due à la réflexion rayonnante moléculaire et non à la réflexion spéculaire ou par couches[17] ». Forbes s'attaque au sujet à partir de 1839, publiant plusieurs articles, dont « On the Transparency of the Atmosphere and the Laws of Extinction of the Sun's Rays passing through it » lui vaut en 1843 la médaille royale. Forbes s'était intéressé à la transmission de la lumière à travers la vapeur d'eau ; Rayleigh donne en 1871 une formulation mathématique à la diffusion de la lumière par des particules de dimension très inférieure à la longueur d'onde des rayonnements, à l'origine de la couleur bleue.

Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Götz Hoeppe (trad. John Stewart), Why the Sky is Blue : Discovering the Color of Life [« Blau. Die Farbe des Himmels »], Princeton University Press, (1re éd. 1999), 336 p. (lire en ligne)
  • (en) Glenn S. Smith, « Human color vision and the unsaturated blue color of the daytime sky », American Journal of Physics, vol. 73, no 7,‎ (DOI 10.1119/1.1858479, lire en ligne)

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. A. Villevielle, « Ciel des hommes », La Météorologie : revue mensuelle de météorologie et de physique du globe et Annuaire de la Société météorologique de France,‎ , p. 33- (lire en ligne)
  2. a, b et c Smith 2005, p. 590-591
  3. Physique générale: Ondes, optique et physique moderne, Douglas C. Giancoli, p.189 sur Google Livres
  4. La polarisation de la lumière et l'observation astronomique, Jean-Louis Leroy, p.61, Taylor & Francis, 2001 - 204 pages sur Google Livres
  5. La polarisation de la lumière et l'observation astronomique, Jean-Louis Leroy, p.33, Taylor & Francis, 2001 - 204 pages sur Google Livres
  6. a et b Hoeppe 2007, p. 4
  7. Les Indispensables astronomiques et astrophysiques pour tous, Alexandre Moatti, Odile Jacob, 17 avr. 2009 - 224 pages, p.52 sur Google Livres
  8. a et b Smith 2005, p. 591-593
  9. a et b Smith 2005, p. 594-596
  10. Psychology, p. 184 sur Google Livres
  11. a et b (en) Jennifer A. Grier et Andrew S. Rivkin, Inner Planets, ABC-CLIO, , 212 p. (lire en ligne), p. 57
  12. William Sheehan, The Planet Mars : A History of Observation & Discovery, University of Arizona Press, , 270 p. (lire en ligne), p. 189-190
  13. (en) Paul Murdin, Planetary Vistas : The Landscapes of Other Worlds, Springer, , 185 p. (lire en ligne), p. 182
  14. a et b Hoeppe 2007, p. 2
  15. Hoeppe 2007, p. 27-32.
  16. Horace-Bénédict de Saussure, Voyages dans les Alpes, t. 4, Neuchatel, S. Fauche (lire en ligne).
  17. François Arago, « Notice sur la polarisation », dans O.C., (lire en ligne), p. 435.