Pourquoi le ciel est bleu

Posez la question à dix personnes autour de vous. La moitié répondra que le ciel est bleu parce qu'il reflète la mer. C'est faux, et il suffit d'un désert de sable ou d'un sommet enneigé, à mille kilomètres du premier océan, pour s'en rendre compte : le ciel y est aussi bleu qu'ailleurs. La vraie réponse est plus surprenante. Elle tient à ce que devient la lumière blanche du Soleil quand elle percute l'air que vous respirez.

Le bleu du ciel n'est pas une couleur peinte quelque part au-dessus de nos têtes. C'est un effet de tri. La lumière du Soleil arrive blanche, elle contient toutes les couleurs mélangées, et l'atmosphère en éparpille certaines beaucoup plus que d'autres avant qu'elles n'arrivent à votre oeil. Ce tri porte un nom, la diffusion de Rayleigh, et une fois qu'on l'a compris, il explique d'un coup le bleu du jour, le rouge du couchant, le noir du ciel sur la Lune et même la teinte inversée du ciel de Mars.

Qu'est-ce qui rend le ciel bleu, si ce n'est la mer ?

La lumière blanche du Soleil est un mélange. En la faisant passer par un prisme, on la déplie en un arc de couleurs, du violet au rouge, exactement comme dans un arc-en-ciel. Chaque couleur correspond à une longueur d'onde différente : le violet et le bleu sont des ondes courtes et serrées, le rouge une onde longue et étirée. Cette différence de taille est toute l'histoire.

Quand cette lumière entre dans l'atmosphère, elle rencontre des milliards de molécules d'azote et d'oxygène, bien plus petites que les longueurs d'onde de la lumière. À cette échelle, un phénomène particulier se produit : chaque molécule renvoie la lumière dans toutes les directions, un peu comme une bille qui rebondirait au hasard. Et cette diffusion n'est pas équitable. Elle favorise énormément les ondes courtes. Le physicien britannique Lord Rayleigh a montré à la fin du XIXe siècle que l'intensité diffusée varie comme l'inverse de la longueur d'onde à la puissance quatre. En clair : le bleu est diffusé environ dix fois plus fort que le rouge.

Le résultat est visuel. Le rouge, le jaune et l'orange traversent l'air presque en ligne droite depuis le Soleil. Le bleu, lui, est renvoyé dans tous les sens et finit par pleuvoir sur nous depuis chaque point de la voûte céleste. Où que vous regardiez, sauf droit vers le Soleil, ce bleu éparpillé vous revient. Le ciel entier devient une source de lumière bleue. Pas un reflet, une diffusion.

Le ciel n'a pas de couleur propre. Il vous renvoie le bleu que l'air a arraché à la lumière blanche du Soleil.

Pourquoi le ciel n'est-il pas violet, puisque le violet est encore plus diffusé ?

Voilà la question qui piège même ceux qui connaissent la diffusion de Rayleigh. Si les ondes les plus courtes sont les plus diffusées, le violet, encore plus court que le bleu, devrait dominer. Le ciel devrait tirer sur le mauve. Il ne le fait pas, pour trois raisons qui s'additionnent, et c'est le genre de nuance qui sépare une vraie compréhension d'une réponse récitée.

D'abord, le Soleil émet moins de violet que de bleu. Son spectre n'est pas plat, il contient naturellement davantage de lumière bleue. Il y a donc moins de violet à diffuser au départ. Ensuite, une partie de ce violet est absorbée par l'ozone présent en haute atmosphère, avant même d'arriver jusqu'à nos yeux. Enfin, et c'est décisif, notre oeil est bien plus sensible au bleu qu'au violet. Nos cellules réceptrices réagissent faiblement aux longueurs d'onde violettes. Additionnez ces trois effets : le mélange qui nous parvient est perçu comme un bleu franc. Le violet est là, mais noyé et mal capté. Météo-France résume la même mécanique dans son dossier sur la couleur du ciel.

Pourquoi le ciel devient-il rouge au coucher du Soleil ?

Le plus beau, c'est que le même phénomène produit l'effet exactement inverse quelques heures plus tard. En pleine journée, le Soleil est haut, sa lumière traverse une épaisseur d'atmosphère relativement courte pour vous atteindre. Le tri se fait doucement, le bleu domine, le ciel est clair. Au coucher, tout change de géométrie.

Quand le Soleil frôle l'horizon, ses rayons entrent en biais et doivent parcourir une bien plus longue distance dans l'air avant d'arriver à vos yeux. Sur ce trajet allongé, le bleu est diffusé si tôt et si complètement qu'il est déjà parti sur les côtés bien avant de vous atteindre. Ce qui vous arrive en direct, ce sont les rescapés : les ondes longues, le rouge et l'orange, qui résistent à la diffusion et filent tout droit. Le Soleil couchant paraît donc rouge, et il teinte de la même flamme les nuages autour de lui. Un ciel embrasé au crépuscule et un ciel bleu à midi ne sont pas deux mystères différents, mais deux visages du même tri de la lumière.

À quoi ressemble le ciel là où il n'y a pas d'air ?

La meilleure preuve que le bleu vient de l'atmosphère, c'est de regarder un endroit qui n'en a pas. Sur la Lune, il n'y a quasiment pas d'air, donc rien pour diffuser la lumière du Soleil. Résultat : le ciel lunaire est noir en plein jour, même quand le Soleil brille et éclaire crûment le sol. Les astronautes d'Apollo l'ont vu de leurs yeux, un Soleil aveuglant sur un ciel d'encre. Pas d'air, pas de tri, pas de bleu. Le contraste est brutal et il tranche la question : le ciel bleu n'est pas une propriété du cosmos, c'est un cadeau de notre couche d'atmosphère.

Mars pousse la démonstration encore plus loin, en l'inversant. Son atmosphère, très mince, est chargée de fines poussières riches en fer. Ces poussières ne diffusent pas la lumière comme les molécules d'air terrestres : elles renvoient plutôt le rouge et l'orange. En pleine journée, le ciel martien est donc ocre, beige-rosé. Mais au coucher du Soleil, autour de l'astre, il vire au bleu, exactement l'inverse de chez nous. Les rovers de la NASA ont photographié ces couchers de Soleil bleutés. Même ingrédient de base, la lumière du Soleil, mais un filtre atmosphérique différent, et le résultat bascule. C'est ce que raconte l'article Astronomie sur Mars de Wikipédia.

Le petit fait qui en cache dix

Une question d'enfant, "pourquoi le ciel est bleu", ouvre en réalité sur la physique de la lumière, l'anatomie de l'oeil, la chimie de l'ozone et la géologie d'une autre planète. C'est ça, la culture générale bien racontée : un fil qu'on tire et qui déroule tout un pan de savoir. La prochaine fois qu'on vous sort le coup du reflet de la mer, vous saurez répondre. Et vous pourrez ajouter que l'eau, souvent, est bleue justement parce qu'elle renvoie le bleu du ciel, ce qui n'empêche pas la mer d'avoir son propre secret bien à elle. Les couleurs de la nature ont presque toujours une explication précise, comme celle qui donne aux flamants leur rose.

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