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Introduction

         Tu te demandes (ben...tiens !) souvent d’où vient la couleur du ciel, du soleil. Le soleil joue-t-il un rôle majeur dans la couleur du ciel.

          La couleur du ciel vient en effet directement du Soleil. De ce fait, le ciel est bleu uniquement durant la journée, mais il peut toutefois devenir orange ou rouge au moment du coucher de soleil, puis noir pendant la nuit…

          Mais alors, si le Soleil est jaune, alors pourquoi le ciel est-il de couleur bleue ? Ce phénomène est facilement explicable  avec les couleurs primaires.

Qu'est-ce que la lumière ?

         La lumière qui nous vient du Soleil est blanche, et non pas jaune (le soleil vu hors de la Terre par les astronautes est de couleur blanche). La lumière du Soleil est constituée d'un mélange de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

          Chaque couleur de la lumière du Soleil voyage avec des caractéristiques physiques qui lui sont propres, et appelées longueur d'onde. Chaque couleur a donc sa propre longueur d'onde. La lumière voyage en ligne droite jusqu'à ce qu'elle rencontre un obstacle qui la renvoit dans une autre direction.

         Donc, en réalité, le soleil envoie de la lumière blanche. Même si nous le voyons jaune, sa vraie couleur est le blanc. Le blanc comme le noir ne sont à proprement parler pas des couleurs : le noir étant l’absence de couleur et le blanc la superposition (somme) des différentes couleurs du spectre (qui sont les couleurs de l’arc en ciel).

          Pour comprendre la couleur blanche du Soleil (et non jaune), il faut décomposer la lumière blanche. Les trois couleurs primaires sont le rouge, le vert et le bleu. En mélangeant ces couleurs par deux, nous obtenons alors les couleurs secondaires. Et en cumulant les trois on obtient la couleur blanche. La couleur blanche du soleil est donc l’accumulation des trois couleurs fondamentales (= primaires). Si l’on retire le bleu, on obtient alors le résultat du mélange entre le vert et le rouge, soit la couleur jaune…

Entrée des rayons solaires dans l'atmosphère terrestre

         Quand les rayons solaires entrent dans l'atmosphère, ils rencontrent les atomes, les molécules d'air, les gouttes d'eau et la poussière dont est constitué l'atmosphère. Les molécules d'air ont la bonne dimension pour diffuser les plus courtes longueurs d'ondes de la lumière, soit les violet, bleu et vert en l'occurrence. Les longueurs d'ondes plus longues, telles que les rouges, ne sont à peu près pas diffusées par ces molécules d'air.

         Cette diffusion des différentes longueurs d'onde porte le nom de "diffusion de Rayleigh).

         Considérons un rayon de lumière bleue en provenance du Soleil. En entrant dans l'atmosphère, il a de fortes chances de heurter une molécule. Si c'est le cas, le rayon sera diffusé, c'est-à-dire éparpillé dans l'atmosphère.

         De ce fait, en regardant le ciel, tu verras beaucoup de rayons bleus (les plus soumis à la diffusion de Rayleigh) diffusés par les molécules de l'air, alors que peu de rayons rouges (les moins soumis à la diffusion de Rayleigh) auront été diffusés.

         Tu piges, mon neveu ?

         Le cadre ci-dessous au fond vert contient des renseignements plus approfondis sur la composition de l'atmosphère et la diffusion de la lumière. Si tu ne souhaites pas approfondir ces notions, tu passes juste après ce cadre au fond vert, en cliquant ici.               voir la vidéo : pourquoi le ciel est bleu et le Soleil jaune

La composition de l'atmosphère

         L'atmosphère terrestre est composée principalement de molécules de dioxygène et de diazote, ces molécules se composent chacune de deux atomes, ce sont des molécules diatomiques.
          La distance séparant les deux atomes n'est pas fixe, elle varie au cours du temps, la molécule vibre. La vibration de la molécule, très rapide, a une propriété très particulière, elle diffuse (disperse ) la lumière.

          Diffusion de la lumière
          Lorsque la lumière traverse l'atmosphère, elle est donc diffusée dans toutes les directions, conformément à la diffusion de Rayleigh ( Robert John Rayleigh (1875-1947), physicien anglais, fut un précurseur dans le domaine de l'optique atmosphérique).

          L'importance de cette diffusion est liée à la longueur d'onde de la radiation lumineuse. La longueur d'onde des radiations lumineuses va croissante du bleu vers le rouge, la lumière solaire est constituée de la somme d'une infinité de couleurs du rouge au bleu, qui constituent le spectre de la lumière blanche.

         Il s'avère que la lumière bleue est diffusée de manière beaucoup plus importante que les radiations de plus grandes longueurs d'ondes. De manière générale, le bleu est plus diffusé que le vert qui est plus diffusé que le jaune lui même plus diffusé que le rouge.

          Une grande partie de la lumière bleue nous arrivant du soleil est d'abord diffusée par l'atmosphère alors que les couleurs verte, jaune et rouge nous parviennent directement.
          Le ciel apparaît donc bleuté et la lumière qui nous parvient directement du soleil, à laquelle il manque une partie de sa composante bleue, nous semble légèrement plus jaune qu'elle ne l'est avant d'avoir traversé l'atmosphère. Vu en dehors de l'atmosphère notre soleil émet donc une lumière plus blanche que celle qui est perçue sur terre.

       La couleur du ciel et l'altitude
          La couleur du ciel varie énormément avec l'altitude. Le ciel est d'une couleur bleu foncé en altitude alors qu'il est beaucoup plus clair au niveau de la mer.
          La raison en est fort simple, à basse altitude, la lumière qui nous parvient a rencontré un grand nombre de molécules ( la moitié de la masse de l'atmosphère se situe en dessous de 5500 m ), la diffusion est importante. A haute altitude au contraire, la lumière n'ayant pas encore traversé les zones denses de l'atmosphère, la diffusion de la lumière bleue est relativement limitée, le ciel est plus sombre.

    Et ben, en voilà une question, mon cousin ! Mais bon sang, évidement que la nuit doit être noire, puisque le soleil n'éclaire plus ! Et pourtant… si on résonnait en toute logique, les nuits devraient être très brillantes, lumineuses justement, loin, très loin d'être noires comme de l'encre.

    Explications…

    Durant 2.500 ans, personne n'a pu expliquer pourquoi les nuits sont noires. Si le Soleil est une étoile, les étoiles sont aussi des Soleils puisqu'elles diffusent de la lumière. Dans le ciel existent des milliards de milliards d’étoiles qui devraient, logiquement, illuminer la totalité du ciel qui ne devrait connaître aucune zone obscure. Logiquement parlant, la nuit devrait être aussi clair que le jour par les lumières des étoiles. Mais le ciel est noir…

    Si cette explication nous a manqué pendant plus de 2500 ans, c’est parce notre vision de l’Univers nous a induit en erreur. En effet, depuis Aristote, la pensée humaine admettait l’infini de l’Univers dans le temps et dans l’espace. C’est-à-dire que nous vivions dans un Univers qui avait toujours existé, un Univers sans changement ni évolution, autrement dit un Univers statique, donc sans histoire … L'Univers a toujours été.

    Allez, tu m'es sympathique, alors faisons une petite expérience toi et moi. Place une grande quantité de petites gommettes rouges sur une grande feuille blanche. Tu obtiendras une quantité importante de points rouge sur fond blanc … Maintenant, éloigne la feuille encore et encore, il arrivera un moment où les points rouges disparaîtront mais où la feuille te semblera uniformément rose, car ton regard ne saura plus individualiser les points rouges. Tu verras une grande tâche rose.

     Dans le ciel, l'expérience est la même, les gommettes rouges du départ sont les étoiles. Mais la fin n'est pas la même, car, au lieu de voir un grand écran lumineux uniforme de lumière dans le ciel, celui-ci est tout noire. Pourquoi ? C'est la question que s'est posé Johannes Kepler, et, malgré ses recherches, celles de Nicolas Copernic et Edmond Halley la réponse n'apparaissait pas.

    Et bien, la réponse à cette étonnante question tient en deux raisons :

         1) l'expansion de l' Univers

         2) la vitesse de la lumière

L'expansion de l'Univers

    Edwin Hubble, dans les années 1920 observé pour la première fois l’expansion de l’Univers. Cette expansion veut que toutes les galaxies s’éloignent les unes des autres. Non pas qu’elles se déplacent, mais c’est l’espace qui se dilue de lui-même.

    Comme je te l'ai expliqué ci-dessus mon frère, pendant 2500 ans, la pensée humaine admettait l’infini de l’Univers dans le temps et dans l’espace. Nous vivions dans un Univers qui avait toujours existé, un Univers sans changement ni évolution, autrement dit un Univers statique. Point barre.

    Grâce à Hubble (et d'autres), on sait maintenant que l'Univers est en expansion permanente. Pire encore, on découvre que cette expansion est en phase d’accélération, c’est-à-dire que plus les galaxies sont distantes de nous, et plus elles s’éloignent vite.

     Alors quelle incidence sur le fait que la nuit soit noire ? Hé bien, mon cousin, cela tient au fait que lorsque l’espace moyen entre deux galaxies se dilue, l’intensité ou la densité lumineuse (non pas intrinsèque de l'Univers, mais celle que l'on voit, celle qui nous est purement apparente) allant de l’une vers l’autre décroît.

La vitesse de la lumière

     La lumière a une vitesse finie, elle se comporte comme une onde, et une onde a une longueur donnée (ou période) qui s’exprime dans l’espace. Et quand l’espace se déforme, l’onde se déforme d’autant … Ainsi, l’espace se diluant, l’onde lumineuse s’allonge et perd en intensité.

     La vitesse de la lumière n’étant pas infinie (cela a été découvert par l’astronome danois Romer (1644–1710) en observant le mouvement des satellites de Jupiter) et que l’univers est né un jour (selon le modèle du Big Bang), et bien mon neveu, cela veut dire que la lumière des étoiles les plus éloignées ne nous est pas encore parvenue.

    Ainsi, le noir que nous observons sur le fond cosmique est rempli d’étoiles dont la lumière n’a pas encore atteint la Terre…

     Concrètement, la lumière subi un décalage du bleu vers le rouge, c’est ce qu’on appelle l’effet Doppler-Fizeau. D’un point de vue observationnel, cela se traduit donc par une baisse constante de la luminosité apparente des plus lointaines galaxies de notre Univers. A ce rythme, il arrivera un jour (certes très lointain) où l’Univers sera réellement sombre, vide et froid … Mais cela est une autre histoire.

Il y a donc un horizon visuel à notre Univers, et là bulle qu’il délimite s’appelle aujourd’hui l’Univers observable. Elle est estimée à 13.7 milliards d’années lumières de rayon. Cette distance correspond à l’âge théorique de notre Univers, représenté par le Fond diffus cosmologique

Les galaxies qui s'éloignent atténuant la lumière et les lumières de nombreuses étoiles qui ne nous sont pas encore parvenues, fond que nos nuits sont noires. Ben voilà…

Explications des nuits noires par Hubert Reeves.

Le ciel est noir sur la Lune, car il n'y a pas d'atmosphère.

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C'est la poussière et le gaz carbonique dans l'atmosphère de Mars qui rendent le ciel orange pâle ou rose.

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Les nuages d'acide sulfurique qui couvrent la surface de Vénus, et le gaz carbonique, donnent au ciel une teinte jaunâtre.

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L'œil humain voit :

Pluton en noir

la Lune en blanc

Mars en rouge

le Soleil en jaune

Uranus en bleu

Vénus en vert

Jupiter en orange

Neptune en violet

Saturne en gris

Mercure en marron

Pour avoir le détail de chaque planète, clique ici

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La fumée de cigarette
Dans des conditions d'éclairage favorables, la fumée de cigarette ou de cigare apparaît bleue, ce phénomène est également lié a la diffusion Rayleigh. La fumée de cigarettes exhalée, chargée de micro-goutellettes d'eau, apparaît blanche, la lumière est diffusée de la même manière quelle que soit sa longueur d'onde, il s'agit là de la diffusion de Mie. La diffusion de Mie s'observe lorsque la taille des particules diffusantes est plus importante.Tout comme les nuages.

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