Pourquoi le ciel est-il bleu le jour?

    Quand le ciel est bien pur et dégagé, il est tout bleu. Pour l'expliquer, il faut se rappeler que notre atmosphère est essentiellement constituée de Dioxygène et de Diazote, de toutes petites molécules.

La lumière se comporte curieusement face à de tels petits grains, elle est diffusée (un peu comme lorsqu'elle traverse une feuille de papier calque). Mais toutes les couleurs ne sont pas diffusées avec la même efficacité. Les plus courtes longueurs d'onde (violet, bleu) le sont plus que les grandes (orange, rouge), ces dernières ne sont que peu déviées de leur trajectoire. Il est à remarquer que les molécules de l'atmosphère ne sont pas les seules à diffuser la lumière (diffusion Rayleigh), mais que les petites fluctuations de densité de l'atmosphère y sont aussi probablement pour quelque chose, ainsi que certaines très fines poussières. Pensez par exemple à la fumée de cigarette, bleutée dans une pièce obscure traversée par un rai de lumière...

	Robert est entouré de molécules "d'air", en regardant dans la direction du Soleil, il verra toutes les couleurs avec un déficit de bleu, et dans une autre direction, surtout du bleu. (Schéma de gauche)
C'est le même phénomène qui explique que le Soleil semble rouge à son coucher, sa lumière traverse alors beaucoup d'atmosphère, seuls les rayons rouges parviennent jusqu'à notre oeil. (Schéma de droite)

Vous pouvez d'ailleurs facilement expérimenter à ce sujet: une bouteille d'eau et quelques gouttes de lait, ainsi qu'un éclairage bien blanc (une ampoule à LED convient bien).

En éclairage latéral, on perçoit essentiellement les rayons diffusés, donc, beaucoup de bleu. Au contraire, les rayons rouges, eux, sont surtout vus lorsque la lampe est derrière le verre de lait...

           Mais peut-être aurez-vous remarqué qu'à l'horizon, le ciel paraît plus blanc. Dans cette direction, notre regard observe une couche très épaisse d'atmosphère. Les rayons sont alors diffusés de multiples fois. Certes, les bleus ont plus de chance d'être diffusés, mais la quantité de molécules est telle sur l'horizon, que toutes les couleurs finissent par l'être, leur somme fait donc du blanc, comme le disque solaire.

            Quand le temps est brumeux, tout le ciel paraît blanc. La raison cette fois, est que les minuscules gouttes d'eau en suspension, bien plus grosses néanmoins que les molécules atmosphériques, diffusent également toutes les couleurs. Le ciel paraît alors uniformément blanc.

            Enfin, regardez ces deux images prises presque en même temps dans la même direction: le Soleil était à 90° sur la droite:

Cette image est équivalent à ce qui se voyait à l'oeil nu. On retrouve un ciel bleu en hauteur et un horizon plus blanc, comme décrit au-dessus.

Aucun trucage numérique n'a été utilisé, pourtant, le ciel est d'un bleu plus soutenu, les nuages ressortent étonnamment. Curieux non?...

            En fait, la deuxième image est prise à travers un filtre "polarisant"... Voyons, la lumière est une onde électromagnétique, elle se comporte un peu comme une ondulation se propageant sur une corde que l'on agite. Le plan de polarisation de la lumière est l'équivalent du plan d'oscillation de la vague sur la corde. La diffusion de la lumière sur le ciel est plus ou moins efficace suivant la polarisation de la lumière. Ou, plus précisément, la lumière diffusée des points du ciel situés à 90° du Soleil sont plus fortement polarisés que les autres. Or, un filtre polarisant ne laisse passer que les rayons polarisés dans un sens, un peu à la manière d'une barrière plantée de piquets verticaux qui laisserait passer un frisbee vertical mais pas horizontal.

Voici le comportement de filtres polarisants vis à vis de la lumière qui tente de les traverser. Le deuxième filtre, ici, ne laisse rien passer...

            Ainsi, le filtre peut être tourné pour interdire le passage à certains rayons et pas à d'autres. Par exemple, le fond de ciel de l'image du bas était riche en rayons polarisés verticalement, ils ont été éliminés par le filtre. Les nuages émettent une lumière non polarisée, une grande partie traverse donc le polarisant. Un tel filtre est donc un moyen élégant de faire ressortir les contrastes d'un ciel saupoudré de nuages, si l'on vise à 90° du Soleil...