Le ciel est bleu sur Terre dans la journée parce qu’une partie de la lumière du Soleil est diffusée une fois qu’elle entre en contact avec des particules présentes dans l’atmosphère. En effet, la lumière « blanche » du Soleil est en réalité composée d’une infinité de couleurs, allant du violet au rouge, passant par l’orange, le jaune, le vert etc., et bien sûr, le bleu. Ces différentes couleurs peuvent être observées à l’occasion de formation des arcs-en-ciel, lorsque les gouttes servent de prisme qui décomposent la lumière du Soleil.
Chacune de ces couleurs se déplace en ligne droite sous forme d’onde. Au reste, chaque couleur a une longueur d’onde différente. Or, les longueurs d’onde les plus petites, celles du bleu (450 à 500 nanomètres environ) ou du violet (380 – 430 nanomètre environ), sont diffusées de manière importante lorsqu’elles rencontrent des molécules, plus petites que les longueurs d’onde, et présentes dans les hautes couches de l’atmosphère (oxygène, azote, vapeur d’eau, etc.) et de fines particules de poussière. Les molécules les absorbent et les dévient dans toutes les directions, ce qui donne la couleur bleue du ciel dans la journée aux yeux des observateurs (bien qu’un tiers de la lumière au total soit en réalité diffusée par ces particules). En revanche, les longueurs d’onde les plus grandes (rouge, jaune, vert, etc.) sont diffusées avec beaucoup moins d’intensité par ces molécules. Ce phénomène est nommé la diffusion de Rayleigh, du nom de Lord Rayleigh (1842 – 1919), qui a formalisé l’explication de ce phénomène. La diffusion de Rayleigh a en outre pour conséquence de masquer les étoiles pendant la journée, leur lumière étant moins intense que la lumière bleue du ciel, et de nous présenter le Soleil sous une couleur jaune (parce que les bleus sont diffusés).
Enfin, le ciel n’apparaît bleu-violacé parce que l’œil humain est moins sensible au violet, et parce que la lumière du Soleil est moins « riche » en violet qu’en bleu.
À midi, le ciel autour du Soleil apparaît plutôt blanc. Cela s’explique par le fait que la lumière du Soleil doit traverser une couche d’atmosphère moins épaisse avant d’arriver aux yeux de l’observateur. Les couleurs aux longueurs d’onde les plus petites n’ont pas le temps de se diffuser assez pour que le ciel apparaisse bleu. Quand l’air est humide et les particules plus nombreuses, la lumière est plus diffusée, et le ciel paraît plus opaque.
Le ciel semble toutefois rose, rouge ou jaune autour du Soleil à l’aube ou au crépuscule, lorsqu’il est près de l’horizon. Cela s’explique par le fait que la lumière du Soleil doit passer par une couche plus importante d’atmosphère. À l’arrivée au point de vue de l’observateur, toutes les longueurs les plus courtes ont été diffusées. Seules les longueurs d’ondes les plus grandes parviennent à notre œil.
Lorsque la lumière du Soleil rencontre des molécules qui sont de l’ordre de grandeur ou plus grandes que les longueurs d’onde, la diffusion de Rayleigh ne se produit plus. Toutes les couleurs de la lumière sont alors diffusées dans tous les sens, ce qui donne un ciel qui tire plus sur le jaune et blanc. Ce phénomène, nommé diffusion de Mie, se produit plutôt dans les couches basses de l’atmosphère, où se trouvent des gouttelettes d’eau, des cristaux de glace, ou des aérosols.
Bien sûr, la configuration de l’atmosphère est différente sur les autres planètes, ce qui donne une couleur différente au ciel. Sur Mars, la diffusion de Rayleigh est faible car l’atmosphère y est bien plus fine que sur Terre. Le fait qu’une quantité importante de poussière y reste en suspension dans l’air absorbe les quelques ondes bleues diffusées. Cela donne un ciel d’une couleur jaunâtre dans la journée. La Lune n’a quant à elle presque pas d’atmosphère. Le ciel y apparaît noir, parce qu’il n’y a pas de diffusion de bleu.
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