Pourquoi le ciel est-il bleu, alors que le soleil est jaune ?

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi le ciel est bleu ? Moi oui, ce midi, justement parce qu’il était devenu tout gris.

Après tout, peut-on penser un peu trop vite, la couleur d’un objet n’est que celle de la lumière qui l’éclaire, moins ce qu’il absorbe (aux conditions qu’il n’émette pas lui-même de la lumière, et que notre cerveau ne nous joue pas des tours). Je prends pour acquis que la lumière du soleil est jaune blanche verte jaune blanche (le débat fait rage ici). L’absorption de l’air est à peu près négligeable. Dès lors, le paradoxe qui a donné lieu à mon interrogation est le suivant : s’il y a absorption (c'est-à-dire, si l’air est bleu, même d’un bleu très pâle qui ne se voit que quand des kilomètres d’atmosphère sont accumulés), alors pourquoi le soleil apparaîtrait d’une couleur différente, jaune ? Il devrait être bleu lui aussi, plus lumineux certes, mais bleu.

Pour donner un exemple d’absorption bien connu, l’eau absorbe dans le rouge : une lampe blanche apparaît bleue à travers une grande épaisseur d’eau. Ce dont je parle est très analogue aux phénomènes impliqués dans le réchauffement climatique : l’eau ou le dioxyde de carbone absorbent dans l’infrarouge.

La résolution de ce problème vient du fait que l’air n’est pas bleu, au sens où il absorberait la composante rouge de la lumière du soleil, mais qu’il diffuse la lumière d’une façon assez originale. Je me souvenais vaguement d’avoir entendu parler de ça, aussi j’ai cherché un peu plus précisément dans cette direction sur internet. Il y a d’abord cette page brève mais synthétique de meteo.org , et cette explication un peu plus précise, voire encore celle-là.

Donc, pour résumer tout cela :

- la diffusion dite de Rayleigh se produit quand une radiation approche un obstacle plus petit que sa longueur d’onde. S’il est trop gros, d’autres phénomènes comme la réflexion, la réfraction ou l’absorption prennent le dessus. Justement, la longueur d’onde de la lumière visible est comprise entre 400 et 800 nanomètres, alors que la taille caractéristique d’une molécule d’azote ou de dioxygène est de quelques dixièmes de nanomètre.

- La diffusion qui se produit alors a pour effet de disperser la lumière dans toutes les directions, affaiblissant son intensité dans la direction initiale de propagation.

- L’intensité de la diffusion Rayleigh varie de façon inversement proportionnelle à la puissance quatrième de la longueur d’onde. Ainsi, le bleu, qui correspond à une longueur d’onde 1,7 fois plus petite que le rouge, sera huit fois (1,7⁴ = 8) plus diffusé.

Ainsi, quand on regarde le soleil, on voit ce qui n’a pas été diffusé. Comme globalement, blanc-bleu = jaune, le soleil apparaît jaune. Quand on regarde dans toutes les autres directions, on voit la lumière diffusée, qui est donc bleue.

J’ajouterais d’ailleurs que lors des couchers de soleil, la lumière rasante parcourt une bien plus grande distance dans l’atmosphère avant de nous parvenir. La diffusion a bien plus de temps pour s’effectuer, il ne reste presque plus que la lumière rouge-orangée pour nous parvenir ou pour être réfléchie par les nuages : voilà d’où vient la couleur des couchers de soleil.