Les couleurs du ciel observé changent en fonction de l'heure de la journée. Dans des conditions sans nuages, l'après-midi, un bleu intense est visible, mais au lever et au coucher du soleil, des couleurs jaunes, orange et rouges apparaissent. Les couleurs que nous voyons dans le ciel sont le résultat d'un phénomène optique appelé diffusion de Rayleigh.
La lumière comme une onde électromagnétique
La lumière provenant du Soleil n’est rien d’autre qu’une onde électromagnétique . Le rayonnement électromagnétique est l’une des façons dont l’énergie se propage dans l’espace. Si les ondes électromagnétiques sont ordonnées selon leurs paramètres caractéristiques, par exemple fréquence, longueur, etc., on obtient un spectre. Le spectre électromagnétique représente tous les types de rayonnement qui existent dans l’univers. La lumière visible (gamme de 380 nm à 780 nm) ne représente qu’une petite partie de l’ensemble du spectre électromagnétique, à savoir la partie que nous pouvons voir. Il se comporte à la fois comme une onde et comme un flux de particules. Ce phénomène est appelé dualité onde-particule. La lumière blanche est créée en combinant plusieurs couleurs simples, appelées couleurs primaires. Ils sont visibles, par exemple, comme un arc-en-ciel (lumière blanche dispersée dans des gouttelettes d’eau). Dans le spectre électromagnétique correspondant à la lumière blanche, la lumière rouge a la longueur d’onde la plus longue et la lumière violette a la plus courte.
Pourquoi voyons-nous des couleurs spécifiques?
Chaque plage du spectre de la lumière blanche est associée à des couleurs spécifiques. Un tel rayonnement tombant sur un objet particulier sera absorbé ou réfléchi par celui-ci. Par exemple, une feuille qui reçoit de la lumière l’absorbe, à l’exception de la longueur d’onde verte. Le fragment non absorbé du spectre est diffusé dans toutes les directions. Une partie de ce rayonnement atteindra l’œil et le cerveau « dira » que la feuille est verte. On observe d’autres couleurs de manière similaire, par exemple le rouge fraise. En savoir plus ici .
Diffusion Rayleigh
En regardant le ciel, nous observons en fait la partie de l’atmosphère qui est visible depuis la surface de la Terre. L’onde lumineuse provenant du Soleil ne se déplace pas en ligne droite. Il rencontre un certain nombre d’obstacles sur son chemin. Ce sont de nombreuses molécules (principalement de l’azote et de l’oxygène), des poussières, des gouttelettes d’eau et des cristaux de glace en suspension dans l’air. Ils provoquent la diffusion de la lumière visible, sa réflexion ou son absorption. Pour que le rayonnement atteigne la Terre, il doit traverser tous ces obstacles. Il s’avère que lorsqu’elle tombe sur des particules en suspension dans l’atmosphère, la lumière est diffusée, et de tout le spectre, la couleur bleue est la plus affectée. Cet effet est appelé diffusion Rayleigh et est responsable de la couleur bleue du ciel. En 1899, John Rayleigh a prouvé que l’intensité de la lumière diffusée est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d’onde. Cela signifie que la lumière bleue (que nous voyons dans le ciel) est quatre fois plus diffusée que la lumière rouge car elle a une longueur d’onde plus courte dans le spectre de la lumière blanche. Cependant, les longueurs d’onde correspondant à la couleur violette sont plus courtes, donc le ciel devrait être violet. Pourquoi n’en est-il pas ainsi ? L’une des raisons de ce phénomène est que l’intensité du rayonnement violet qui atteint la Terre est beaucoup plus faible. De plus, nos yeux sont plusieurs centaines de fois moins sensibles à la lumière violette qu’à la lumière bleue. 
Autres couleurs du ciel
La façon dont nous voyons le ciel est causée par le phénomène de diffusion de Rayleigh, qui stipule que les courtes longueurs d’onde, responsables de la couleur bleue, sont beaucoup plus fortement diffusées que les grandes longueurs d’onde. Cependant, la couleur du ciel change au cours de la journée. Le ciel bleu n’est observé que quelques heures dans l’après-midi. Pourquoi change-t-il au lever et au coucher du soleil ? Comment se fait-il que lorsque le soleil se couche, la couleur du ciel passe du bleu au jaune et finalement au rouge intense ? Ceci est lié au chemin que les rayons du soleil doivent parcourir pour atteindre la Terre. Plus le Soleil brille bas dans la voûte céleste, plus cette distance est grande. La lumière blanche tombe donc sous un petit angle et les longueurs d’onde plus courtes, c’est-à-dire celles attribuées aux couleurs violette et bleue, sont trop diffusées et n’atteignent pas l’œil de l’observateur. Seules les couleurs caractéristiques des grandes longueurs d’onde, c’est-à-dire le jaune et le rouge, sont visibles. Ils provoquent la couleur caractéristique du ciel au coucher du soleil. Par curiosité, il convient de mentionner que la formule proposée par Rayleigh fait référence à la diffusion sur de petites particules en suspension dans l’atmosphère. Cela ne concerne pas, par exemple, les gouttes d’eau ou les cristaux de glace. La diffusion sur des espèces plus grandes est expliquée par la solution de Mie, décrite en 1908. Elle indique que la lumière blanche tombant, par exemple, sur des nuages, constitués de particules d’eau et de glace, est diffusée de manière égale, quelle que soit la longueur d’onde. En conséquence, les nuages apparaissent blancs. Lire aussi :comment décrit-on les couleurs ?
