La lumière blanche est un arc-en-ciel
La lumière du Soleil paraît blanche, mais ce blanc est un mélange. Si on le fait passer à travers un prisme de verre, il se décompose en un arc-en-ciel : rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet. Chaque couleur correspond à une longueur d’onde de lumière différente : les rouges sont grands (environ 650 nanomètres), les bleus sont plus courts (environ 450 nm), les violets encore plus.
Toutes ces couleurs partent du Soleil en même temps. Ce qui va faire le bleu du ciel, c’est la manière dont l’atmosphère va les traiter en cours de route.
Les molécules d’air accrochent mieux le bleu
L’air est fait de milliards de minuscules molécules : azote, oxygène, un peu de tout. Elles sont bien plus petites que les longueurs d’onde de la lumière visible. Et pour des raisons que le physicien britannique Lord Rayleigh a mises en équations en 1871, ces molécules renvoient la lumière d’autant plus efficacement que sa longueur d’onde est courte.
Résultat : la lumière bleue est diffusée environ dix fois plus que la rouge. Au lieu de filer droit comme la rouge, elle rebondit de molécule en molécule et finit par arriver jusqu’à vos yeux depuis toutes les directions du ciel à la fois. Quand vous levez la tête, ce que vous voyez n’est pas une partie du Soleil — c’est la lumière bleue qui a voyagé en zigzag à travers l’atmosphère et qui vous arrive de partout.
(Pourquoi pas le violet, alors, qui est encore plus court ? Parce que le Soleil émet moins de violet que de bleu, et parce que nos yeux y sont peu sensibles. Le mélange des deux penche vers le bleu pur.)
Au coucher du Soleil, le bleu tire sa révérence
Quand le Soleil est haut dans le ciel, sa lumière traverse relativement peu d’atmosphère. Mais au coucher, elle nous arrive presque horizontalement, et doit traverser des centaines de kilomètres d’air avant de nous atteindre. Sur ce long trajet, toute la lumière bleue finit par être diffusée sur les côtés, jusqu’à disparaître.
Il ne reste que les longueurs d’onde longues, rouges et orange, qui passent en ligne droite. C’est cette lumière filtrée qui peint les couchers de soleil.
Ailleurs, le spectacle change. Sur la Lune, qui n’a pas d’atmosphère, le ciel reste noir même en plein jour : rien pour diffuser quoi que ce soit. Sur Mars, dont l’air est très fin et chargé de poussière ocre, le ciel tire vers le rose-ocre. Le bleu du ciel terrestre, c’est une signature de notre atmosphère précise, ni plus, ni moins.