Couleur du ciel

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

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, mais avec une intensité dépendant 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 (diffusion sélective omnidirectionnelle) 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 :

${\displaystyle \left\langle P\right\rangle ={\frac {{\mu }_{0}}{12\pi c}}{{\omega }^{4}}{{p}_{0}}{}^{\text{2}}}$.

Où :

• μ₀ est la perméabilité du vide
• p₀ l'amplitude du moment dipolaire du dipôle électrostatique formé par le nuage électronique de la molécule et des atomes touchés par le champ électromagnétique incident (la lumière)
• ω est la pulsation de l'onde lumineuse

On a l'habitude de désigner les rayonnements 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 ${\displaystyle 1/\lambda ^{4}}$ : 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

${\displaystyle I=I_{0}\cdot 8\pi ^{4}\cdot N\alpha ^{2}\cdot {\frac {1+\cos ^{2}(\Theta )}{\lambda ^{4}\cdot R^{2}}}}$

où

• N est le nombre de particules
• ${\displaystyle \lambda }$ est la longueur d'onde de la lumière incidente
• ${\displaystyle \alpha }$ est la polarisabilité
• ${\displaystyle \Theta }$ 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 (la lumière diffusée latéralement par les molécules de gaz atmosphériques est surtout en bleu car la lumière du soleil n'a pas initialement beaucoup de violet). En revanche, au lever ou au coucher du soleil, la lumière rouge nous parvient lorsqu'on regarde en direction du soleil, puisqu'elle est moins diffusée : la lumière solaire, rasante, traverse une couche d'atmosphère dix à quinze fois plus grande qu'au zénith. La diffusion de Rayleigh s'intensifie et concerne les longueurs d'onde courtes et moyennes du spectre visible (les longueurs d'onde les plus grandes, i.e. le rouge, mieux transmises et moins diffusées, franchissent cette couche atmosphérique). Le rayonnement direct provenant du Soleil, débarrassé d'une partie des faibles longueurs d'onde par cette diffusion, est dominé par le jaune, d'où la couleur du soleil[4].

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 moindre. Le ciel est d'un bleu plus profond, c'est-à-dire moins lumineux et plus saturé.

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[5]. 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.

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[6] :

${\displaystyle P={\frac {\sin ^{2}\alpha }{1+\cos ^{2}\alpha }}}$

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 à la puissance 4 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.

Le ciel lors de l'aube ou du crépuscule est composé de plusieurs couleurs, en général chaudes comme des oranges et rouges[7]. 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. Comme la couche d'atmosphère que traversent les rayons du Soleil est 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 lever et de son coucher[8].

• 
  Lever de Soleil dans le désert californien, 2012.
• 
  Coucher de Soleil au Botswana sur la rivière Chobe, 2007.
• 
  Coucher de soleil sur le lac Michigan, 2016.

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 » énonce 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.

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[15].

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[15]...

• (en) Götz Hoeppe (trad. John Stewart), Why the Sky is Blue : Discovering the Color of Life [« Blau. Die Farbe des Himmels »], Princeton University Press, 2007 (1^re 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, n^o 7,‎ juillet 2005 (DOI 10.1119/1.1858479, lire en ligne)

• Azur (couleur)
• Épaisseur optique
• Assombrissement global
• Fenêtre atmosphérique