Curiosité physique 2 - le bleu du ciel

[Dominique Lefebvre]

Bonjour,

Pourquoi le ciel limpide paraît-il bleu? Pourquoi le soleil couchant apparaît-il rouge?

La réponse à ces deux questions tient en deux mots: la diffusion de Rayleigh.

Voyons cela de plus près.

Nous savons tous que la lumière solaire est un flux de photons de longueurs d'onde variées. Dans l'espace, ces photons se propagent sous la forme d'une onde électromagnétique (que l'on supposer pour simplifier plane progressive), sans atténuation, quasi-indéfiniment (nous voyon la lumière de certaines étoiles qui a été émise il y a plusieurs milliard d'années...).

Lorsque cette onde électromagnétique atteint l'atmosphère terrestre, ce bel arrangement subit quelques dommages! L'atmosphère est un mélange de gaz moléculaires, dont chaque atome interagit avec les photons.
Les molécules qui nous concernent (azote, oxygène pour l'essentiel) ne possèdent pas de résonance dans le spectre visible, i.e. aucun photon n'est absorbé définitivement : l'air est transparent.

Il n'empêche qu'à défaut d'absorber un photon et de prendre un état excité, le nuage électronique vibre tout en restant à son état fondamental. Pour le calcul, on considère un électron du nuage électronique d'un atome, et on l'assimile à un oscillateur harmonique en régime sinusoïdal forcé de pulsation w et de pulsation propre w0.

Si l'on considère l'ensemble formé par notre électron d'un coté et par le reste du nuage et du noyau de l'autre, on obtient un dipôle variable dont je vous laisse calculer le moment dipolaire.

Comme vous le savez, un dipôle variable rayonne une OEM dont la puissance est proportionnelle à (w/w0)^4. Le coefficient de proportionnalité est égal au produit de l'intensité de l'onde incidente et de la section efficace de diffusion de notre électron...

C'est cette formule qui constitue ce qu'on appelle la diffusion de Rayleigh.

De ce résultat, on peut déjà remarquer que le bleu est bien plus diffusé par l'atmosphère que le rouge car sa longueur d'onde est plus courte (nota : vous vous souvenez que lambda = 2*pi*c/w n'est-ce pas!).

Lorsqu'on regarde le ciel, on ne voit donc pas directement la lumière solaire (qui est blanche) mais la lumière solaire diffusée par l'atmosphère. Cette diffusion étant la plus importante pour les longueurs d'onde courtes, on devrait voir le ciel violet et bleu! Il se trouve que notre oeil ne perçoit pas bien le violet. On le voit donc bleu.


Mais ce n'est pas tout! Il s'agit maintenant de savoir pourquoi le ciel paraît bleu lorsque le soleil est au zenith et rouge lorsque le soleil est au couche, en incidence rasante.
La réponse est simple: parce que la lumière solaire traverse une épaisseur d'air bien plus grande dans le second cas. Or l'intensité du rayonnement diminue le long de l'axe de propagation. Cette diminution dépend à la fois de l'épaisseur d'air traversée et de la longueur d'onde considérée.

Pour info, la loi de variation est I(x, lambda) = I0*exp(-x/H(lambda)) avec H(lambda) = (1/Ns)*(lambda/lambda0)^4

s est la section efficace dont on a parlé tout à l'heure. Remarquez que l'atténuation dépend de N et donc de la pression et de la température.

Ceux qui ont le courage de faire l'AN s'apercevront que les photons de longueur d'onde courte (les bleus et les violets) sont bien plus vite atténués par diffusion que les rouges! Il y a environ un ordre de grandeur de différence entre les deux, dans les conditions normales.

Et donc, lorsque la lumière solaire traverse une couche épaisse d'atmosphère (au coucher du soleil, par exemple), seule la lumière rouge arrive à passer!

[fahr451]

merci bien dominique ; les explications pour un enfant de niveau maternelle étaient un peu techniques mais je pense avoir compris l 'essentiel.

[elverde]

personnellement je trouvais qu'aborder cette question en utilisant la caractere ondulatoire était plus beau,

[Dominique Lefebvre]

merci bien dominique ; les explications pour un enfant de niveau maternelle étaient un peu techniques mais je pense avoir compris l 'essentiel.

j'ai quelques doutes quand tu affirmes implicitement être de niveau "maternelle" :ptdr: :ptdr:

[Dominique Lefebvre]

personnellement je trouvais qu'aborder cette question en utilisant la caractere ondulatoire était plus beau,

Je ne vois pas très bien ce que tu veux dire! On est en plus électromagnétisme classique... Comment aborderais-tu la chose en utilisant le caractère ondulatoire?

[sandrine_guillerme]

Très très très très beau !
Merci Dominique !!!

[fahr451]

et pourtant dominique pour apporter de l 'eau à ton moulin ( cf un autre post)

il fut un temps où je savais calculer des champs de bobine au voisinage de l'axe où les coeff de self induction n 'avaient aucun secret pour moi où je me riais des machines thermiques à source de température variable où je ravitaillais en vol des avions sans problème

mais je n 'ai jamais eu aucun sens physique et quand j'ouvre la porte de mon frigo je ne sais jamais si je vais me brûler ou pas.

[Dominique Lefebvre]

et pourtant dominique pour apporter de l 'eau à ton moulin ( cf un autre post)

il fut un temps où je savais calculer des champs de bobine au voisinage de l'axe où les coeff de self induction n 'avaient aucun secret pour moi où je me riais des machines thermiques à source de température variable où je ravitaillais en vol des avions sans problème

mais je n 'ai jamais eu aucun sens physique et quand j'ouvre la porte de mon frigo je ne sais jamais si je vais me brûler ou pas.

je te soupçonne d'exagérer un tantinet! A moins que ton réfrigérateur soit en panne!

Tu ravitaillais en vol comment ? En KC135?

[entropik]

Etonnant comme des questions apparaissant simple, considérées par certains comme du niveau maternel, peuvent cacher une théorie compliquée. J'aime les surprises de la physique. Je ne savais pas que l'homme ne perçevait pas toutes les couleurs avec une égale acuité. J'avais bien entendu dire que l'on devait prévoir plus de place pour le codage du vert en informatique mais je n'avais pas poussé plus loin. J'ai appris maintenant que l'oeil distinguait préférentiellement d'abord le vert puis le rouge et enfin le bleu. J'aurais plutôt cru que le rouge était préféré, ce qui aurait répondu à ma question "pourquoi associes-t-on le rouge à la violence, au danger, à la haine,..." (au-delà de la simple analogie avec la couleur du sang) mais visiblement elle n'a pas d'explication physique, si oui on associerait le vert à la violence. Enfin il n'y a sans doute pas de lien entre acuité et effet excitant. Ou même il n'y a peut-être pas de lien entre rouge et excitation, le lien avec le sang serait donc suffisant.
Le fait qu'on ne perçoit pas bien le violet est-il uniquement dû aux cônes et bâtonnets de l'oeil ou il y a-t-il un lien avec la synthèse additive? (composé d'un mélange de bleu (environ 50% de luminosité) et de rouge (environ 25% de luminosité)). Il y a peut-être un phénomène qui fait que dans certaines conditions les 2 composantes du violet ont tendances à se séparer pour amplifier encore le bleu le jour et le rouge lors des couchers.
Aussi j'aimerais avoir confirmation: pour avoir une lumière blanche faut-il absolument qu'il y ait une quantité égale de rayonnement dans les 7 plages de longueurs d'onde du spectre visible ou cela peut marcher avec des proportions variées? si oui je suppose que le soleil émet bien de façon équitable dans ces 7 plages.

[Dominique Lefebvre]

Etonnant comme des questions apparaissant simple, considérées par certains comme du niveau maternel, peuvent cacher une théorie compliquée. J'aime les surprises de la physique. Je ne savais pas que l'homme ne perçevait pas toutes les couleurs avec une égale acuité. J'avais bien entendu dire que l'on devait prévoir plus de place pour le codage du vert en informatique mais je n'avais pas poussé plus loin. J'ai appris maintenant que l'oeil distinguait préférentiellement d'abord le vert puis le rouge et enfin le bleu. J'aurais plutôt cru que le rouge était préféré, ce qui aurait répondu à ma question "pourquoi associes-t-on le rouge à la violence, au danger, à la haine,..." (au-delà de la simple analogie avec la couleur du sang) mais visiblement elle n'a pas d'explication physique, si oui on associerait le vert à la violence. Enfin il n'y a sans doute pas de lien entre acuité et effet excitant. Ou même il n'y a peut-être pas de lien entre rouge et excitation, le lien avec le sang serait donc suffisant.
Le fait qu'on ne perçoit pas bien le violet est-il uniquement dû aux cônes et bâtonnets de l'oeil ou il y a-t-il un lien avec la synthèse additive? (composé d'un mélange de bleu (environ 50% de luminosité) et de rouge (environ 25% de luminosité)). Il y a peut-être un phénomène qui fait que dans certaines conditions les 2 composantes du violet ont tendances à se séparer pour amplifier encore le bleu le jour et le rouge lors des couchers.

Bonjour,
Je suis incapable de répondre à ces questions: mes souvenirs de physiologie et de biochimie de la rétine sont trop loin, et encore étaient-ils sans doute un peu légers..
Peut être quelqu'un du domaine pourrait te répondre!

Aussi j'aimerais avoir confirmation: pour avoir une lumière blanche faut-il absolument qu'il y ait une quantité égale de rayonnement dans les 7 plages de longueurs d'onde du spectre visible ou cela peut marcher avec des proportions variées? si oui je suppose que le soleil émet bien de façon équitable dans ces 7 plages.

Tout d'abord, il faut préciser qu'il n'y a pas 7 plages de longueurs d'onde dans le visible. Le spectre d'émission du Soleil dans le visible est complexe: on recense environ 26000 raies dont plus de 6000 dues au fer! Son spectre comporte une densité d'énergie maximum dans le jaune orange. En cherchant sur le net, tu pourras trouver sa courbe de distribution.
La décomposition spectrale de la lumière solaire montre donc cette étendue spectrale. Mais attention, si cette décomposition est faite sur Terre, il faut tenir compte de l'absorption et de la diffusion dues à l'atmosphère terrestre, ce qui complique la manip...

[entropik]

Le spectre d'émission du Soleil dans le visible est complexe: on recense environ 26000 raies dont plus de 6000 dues au fer! Son spectre comporte une densité d'énergie maximum dans le jaune orange.

Ce serait donc pour ça qu'on associe la lumière théoriquement blanche du soleil au jaune? Et je suppose que cette dominance du jaune orange est due à la taille des atomes les plus nombreux (le fer?)?
Mais pourtant nos lampes aussi émettent une lumière qu'on associe au jaune, comment expliquer ça?

[Dominique Lefebvre]

Ce serait donc pour ça qu'on associe la lumière théoriquement blanche du soleil au jaune?

La lumière du soleil n'est pas théoriquement "blanche"! On la perçoit comme "blanche": c'est une conséquence de la physique de notre oeil. Et encore faudrait-il distinguer la lumière "blanche" de la lumière du jour. Les deux sont des superpositions de fréquences approximativement dans les mêmes proportions.

C'est ce spectre qu'essaient de reproduire, avec plus ou moins de succès les lampes d'éclairage.

Quelques chiffres que je trouve intéressants à ce propos:
le Soleil nous balance en moyenne (au niveau de l'équateur) 10^17 photons par seconde et par cm^2
Notre oeil est sensible à 10 photons et même dans certains cas extrêmes, à un photon!
Et l'énergie d'un photon du visible est comprise entre 1,6 et 3,2 eV....

Et je suppose que cette dominance du jaune orange est due à la taille des atomes les plus nombreux (le fer?)?

En fait, c'est un peu plus compliqué et je m'aperçois que j'ai fait un raccourci pas très juste! J'ai parlé de spectre d'émission mais je n'ai pas parlé du spectre d'absorption...
Les couches internes du Soleil émettent de la lumière comme tout corps noir: c'est un spectre d'émission continu.
Cette lumière traverse la chromosphère (l'atmosphère du soleil). En fonction de la composition chimique de la chromosphère, on observe des raies d'absorption (lois de Kirchhoff et de Fraunhofer). C'est grâce à ce spectre qu'on connait la composition chimique de la chromosphère. Et l'élément le plus abondant est ... l'hydrogène!

[Dominique Lefebvre]

En complément, un site fort intéréssant pour visualiser le spectre solaire: http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_soleil.swf

[bay-z]

svp j'ai un tit probleme en ce qui conserne la longueur d'onde ,enfait elle est bornée entre 0.4 micrométre (l'ultraviolet) et 0.7 micrometre (l'infrarouge) , c la longueur d'onde pour ce qui conserne les couleurs entre IR et UV,sauf que pendant un control on avait comme question qu'elle est la longueure d'onde de la lumiére du jour?là je ne savait koi ecrire si vous pouver m'aider svp

[Flodelarab]

Bravo Dominique! Super sujet !

Mon père, qui a fait les beaux arts, m'a toujours répété que blanc et noir n'étaient pas des couleurs mais des valeurs. Et ça m'a fait rire de découvrir pendant mes études scientifiques que cette règle trouvait sa résonnance en physique
Le blanc et le noir ne sont que la superposition ou l'absence des dites couleurs. (Suivant, comme tu dis, que l'on parle de synthèse additive ou soustractive)



Si je devais répondre a ta place, Bay-z, je dirais que la longueur d'onde n'a de sens que pour chacune des couleurs ... donc on ne peut donner qu'une fourchette de valeurs et non un nombre fixe.

[Dominique Lefebvre]

svp j'ai un tit probleme en ce qui conserne la longueur d'onde ,enfait elle est bornée entre 0.4 micrométre (l'ultraviolet) et 0.7 micrometre (l'infrarouge) , c la longueur d'onde pour ce qui conserne les couleurs entre IR et UV,sauf que pendant un control on avait comme question qu'elle est la longueure d'onde de la lumiére du jour?là je ne savait koi ecrire si vous pouver m'aider svp

Bonjour,

ça m'a tout l'air d'une question piège:Il n'y a pas UNE longueur d'onde pour la lumière du jour. C'est une lumière multi-spectrale (voir les posts précédents).
Le spectre de la lumière du jour s'étend de l'UV proche à l'IR proche, avec un pic dans le jaune. Mais ce spectre dépend de la qualité de l'atmosphère local. Dans le frog londonien ou de LA, je doute qu'on n'est un spectre semblable.

Une chose, la longueur d'onde n'est pas bornée... Ce sont nos capteurs (nos yeux) qui sont bornés. Ce qu'on appelle la lumière du jour, c'est la lumière que captent nos yeux. Les chiens ont un spectre de visibilité différent, par exemple.

[Flodelarab]

le frog londonien

:ptdr: :ptdr: :ptdr:

Joli lapsus!
Les froggies, en français "les grenouilles" désigne les français, mangeurs de grenouilles, "frog" en anglais.

mais le brouillard ("fog" en anglais) londonien aussi épais que la fumée ("smoke" en anglais) se nomme "smog" et pas frog

[Dominique Lefebvre]

:ptdr: :ptdr: :ptdr:

Joli lapsus!
Les froggies, en français "les grenouilles" désigne les français, mangeurs de grenouilles, "frog" en anglais.

mais le brouillard ("fog" en anglais) londonien aussi épais que la fumée ("smoke" en anglais) se nomme "smog" et pas frog

Très juste, toutes mes excuses... C'est bien, tu suis :ptdr: :ptdr:
Et en plus tu as eu la délicatesse de ne pas relever l'énorme faute de grammaire juste à coté!
j'écris n'importe comment en ce moment, c'est mon clavier...