Ce ciel bleu parfait ponctué de nuages est un compliment de la diffusion Rayleigh. Manuel Breva Colmeiro/Moment/Getty Images Ciels bleus, me souriant / Je ne vois rien d'autre que des cieux bleus ... -- Irving Berlin Si vous vous êtes déjà demandé pourquoi, comme Irving Berlin, tu vois "rien que des cieux bleus, " vous êtes en bonne compagnie. Cela a pris plusieurs siècles et beaucoup de gens intelligents - y compris Aristote, Isaac Newton, Thomas Jeune, James Clerk Maxwell et Hermann von Helmholtz -- pour trouver la réponse, en partie parce que la solution comprend tant de composants :les couleurs à la lumière du soleil, l'angle sous lequel l'éclairement solaire traverse l'atmosphère, la taille des particules en suspension dans l'air et des molécules atmosphériques, et la façon dont nos yeux perçoivent la couleur.
Sortons un instant le ciel de l'équation et commençons par regarder la couleur. D'un point de vue physique, la couleur fait référence aux longueurs d'onde de la lumière visible quittant un objet et frappant un capteur, comme un œil humain. Ces longueurs d'onde peuvent être réfléchies, ou éparpillé , d'une source externe, ou ils pourraient émaner de l'objet lui-même.
La couleur d'un objet change en fonction des couleurs contenues dans la source lumineuse; par exemple, peinture rouge, vu sous la lumière bleue, semble noir. Isaac Newton a démontré avec un prisme que la lumière blanche du soleil contient toutes les couleurs du spectre visible, donc toutes les couleurs sont possibles au soleil.
À l'école, la plupart d'entre nous ont appris qu'une banane apparaît jaune car elle réfléchit la lumière jaune et absorbe toutes les autres longueurs d'onde. Ce n'est pas exact. Une banane répand autant d'orange et de rouge que de jaune, et disperse toutes les couleurs de la gamme visible à un degré ou à un autre [source :Bohren]. La vraie raison pour laquelle il semble jaune est lié à la façon dont nos yeux perçoivent la lumière. Avant d'entrer dans cela, cependant, regardons de quelle couleur est réellement le ciel.
Nous le ferons ensuite.
Comme les bananes, atomes, les molécules et les particules dans l'atmosphère absorbent et diffusent la lumière. S'ils ne l'ont pas fait, ou si la Terre n'avait pas d'atmosphère, on percevrait le soleil comme une étoile très brillante parmi d'autres dans un ciel de nuit perpétuelle. Toutes les longueurs d'onde du spectre de la lumière visible ne se diffusent pas de la même manière, toutefois. Plus court, longueurs d'onde plus énergétiques, vers l'extrémité violette du spectre, disperser mieux que ceux vers le plus long, moins énergique, bout rouge. Cette tendance est due en partie à leur énergie plus élevée, ce qui leur permet de faire plus de ping-pong, et en partie à la géométrie des particules avec lesquelles ils interagissent dans l'atmosphère.
En 1871, Lord Rayleigh a dérivé une formule décrivant un sous-ensemble de ces interactions, dans lequel les particules atmosphériques sont beaucoup plus petites que les longueurs d'onde du rayonnement qui les frappe. Le modèle de diffusion de Rayleigh a montré que, dans de tels systèmes, l'intensité de la lumière diffusée varie en raison inverse de la quatrième puissance de sa longueur d'onde. En d'autres termes, les longueurs d'onde plus courtes - comme le bleu et le violet - se dispersent beaucoup plus que les longues lorsque les particules - telles que les molécules d'oxygène et d'azote - sont relativement petites. Dans ces conditions, la lumière diffusée a également tendance à se disperser également dans toutes les directions, c'est pourquoi le ciel semble si saturé de couleurs [source :Bohren].
Si nous étions assez fous pour regarder directement le soleil, nous verrions toutes les longueurs d'onde, parce que la lumière atteindrait directement nos yeux. C'est pourquoi le soleil et la zone qui l'entoure paraissent blancs. Quand on regarde loin du soleil, au ciel clair, nous voyons la lumière principalement de plus courte, longueurs d'onde dispersées comme le violet, indigo et bleu.
Alors pourquoi le ciel n'apparaît-il pas violet au lieu de bleu clair ? Les yeux l'ont. Vos mirettes perçoivent la couleur à l'aide de structures appelées cônes . Vos rétines sont hérissées d'environ 5 millions de cônes chacune, composé de trois types spécialisés dans la vision de différentes couleurs [source :Schirber]. Bien que chaque type de cône soit le plus sensible à certaines longueurs d'onde de crête, les plages des types de cônes se chevauchent. Par conséquent, différents spectres et combinaisons spectrales peuvent être détectés comme la même couleur.
Contrairement à nos sens auditifs, qui peut reconnaître des instruments individuels dans un orchestre, nos yeux et notre cerveau interprètent certaines combinaisons de longueurs d'onde comme une seule, couleur discrète. Notre sens visuel interprète la lumière bleu-violet du ciel comme un mélange de lumière bleue et blanche, et c'est pourquoi le ciel est bleu clair.
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La bande du coucher du soleilLa couleur du ciel peut changer en fonction de la poussière, pollution et vapeur d'eau, qui affectent différemment l'absorption et la diffusion de la lumière solaire. La teinte rougeâtre des couchers de soleil est principalement due au fait que la lumière du soleil traverse davantage l'atmosphère pour atteindre nos yeux. Au moment où la lumière arrive, il a été dépouillé de longueurs d'onde plus courtes, qui se sont dispersés, ne laissant que la longueur d'onde la plus longue, éclairage direct des tons plus rouges de la lumière du soleil.
