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Pourquoi le ciel est-il bleu ?

Dossier - Peur : l'avion pour les trouillards
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Vous avez peur en avion ? Peut-être est-ce la crainte de l’inconnu. Vous ne connaissez probablement pas encore tous les principes physiques qui régissent la portance de l’appareil. Avec ce dossier, vous saurez tout des détails du vol pour exorciser vos appréhensions en avion, des turbulences aux orages en passant par les lois de Newton.

  
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En journée, en partant du principe que vous n'êtes pas à bord d'un avion de Virgin Galactic, vous devriez voir un ciel bleu à travers la fenêtre de votre avion. Ce n'est pas, comme certains l'ont suggéré, la réflexion de la mer bleue.

Pourquoi le ciel est-il bleur ? © Comfreak - Domaine public

À l'époque victorienne, on pensait que cette teinte bleue était due à des poussières et d'autres particules dans le ciel, mais en réalité, l'origine de cette couleur est plus subtile : c'est l'interaction directe entre les molécules d'air et la lumière du Soleil.

« Pourquoi le ciel est-il bleu ? » est l'une des questions que les enfants ne manquent pas de poser, et ils obtiennent souvent des réponses qui ne sont que proches de la vérité.

Le ciel est bleu à cause de l’interaction de la lumière solaire avec les molécules de l’air. © Kintaiyo, cc by sa 3.0

La lumière visible se décline en plusieurs couleurs que l'on peut voir dans le spectre de l'arc-en-ciel allant du rouge au violet. La distinction traditionnelle entre les sept couleurs (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet) d'un arc-en-ciel est arbitraire, c'est un arrangement conçu par Isaac Newton. Si vous regardez un spectre complet de lumière, vous pouvez voir soit des millions de couleurs légèrement différentes, soit cinq ou six larges bandes de couleur ; presque personne ne voit sept couleurs dans un arc-en-ciel.

Arc-en-ciel : synthèse du phénomène. © Jean-Claude Monet, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

On ne sait pas vraiment comment Newton a trouvé ce chiffre sept en incluant ces nuances obscures que sont le violet et l'indigo, mais l'idée plane qu'il aurait voulu établir un lien avec la musique. Dans le « spectre » musical, il y a sept notes, du do au si, avant de compléter l'octave et de retourner à un do plus aigu. On pense que Newton était persuadé qu'il devait également y avoir sept couleurs dans le spectre visible et qu'il nous a imposé ce découpage. Étonnamment, le spectre n'aurait pas pu s'appeler ainsi 100 ans plus tôt. « Orange » n'est devenu le nom d'une couleur que quelques années avant la naissance de Newton. Jusque-là, ce n'était que le nom d'un fruit.

Le ciel est bleu : il suffit de regarder par la fenêtre pour s’en convaincre... Mais d’où vient cette couleur alors que le Soleil diffuse de la lumière blanche ? Et pourquoi du bleu ? Unisciel et l’Université de Lille 1 nous expliquent, avec le programme Kézako, d’où vient la couleur du ciel. © Unisciel

Newton montra, comme le fait un arc-en-ciel, que la lumière du Soleil contenait tout le spectre de couleurs ainsi que beaucoup d'autres que l'on ne voit pas. À l'époque de Newton, on pensait que les couleurs de l'arc-en-ciel étaient dues aux imperfections du verre d'un prisme qui teintaient la lumière blanche.

Mais Newton sépara une couleur et lui fit traverser un autre prisme, ce qui ne fit pas changer la couleur. Le prisme ne colorait donc pas la lumière. Il montra aussi que l'on peut recombiner les couleurs pour faire de la lumière blanche. Les couleurs sont toutes présentes dans la lumière du Soleil.

Un exemple d’arc-en-ciel secondaire, à gauche. © Serge Melki, cc by nc 2.0

Quand cette lumière composée d'un mélange de photons aux énergies différentes (que l'on voit comme des couleurs) traverse l'air, certains d'entre eux sont absorbés par les électrons dans les molécules des gaz de l'air. Peu après, ils sont renvoyés mais dans toutes les directions. Cette diffusion signifie que les photons sont lancés à travers le ciel et ne vont plus tous dans la même direction.

L'effet de diffusion varie en fonction de l'énergie des photons. Ceux avec le plus d'énergie (du côté bleu du spectre) auront plus de chances d'être diffusés. Cela signifie que, loin du Soleil, la lumière diffusée par les molécules d'air aura une teinte bleue, ce qui rend le ciel bleu. Quand le Soleil est bas dans le ciel, la lumière traverse beaucoup d'air, et comme le côté rouge du spectre est moins diffusé, la lumière qui vient directement du Soleil prend une teinte rouge. C'est pourquoi on assiste parfois à un beau lever ou coucher de Soleil rouge.