Pourquoi le ciel est bleu,
et le coucher de soleil rouge ?
Le jour, le ciel est bleu. Le soir, il devient rouge. Le même ciel, le même soleil, mais la couleur s'inverse. En réalité, ces deux phénomènes ne sont pas séparés : ils viennent exactement de la même cause, vue de deux côtés. L'air « disperse » la lumière bleue, ce qui rend le ciel bleu le jour et rouge le soir.
En levant les yeux vers un ciel dégagé à midi, tout paraît bleu. Pourtant, aucun objet dans le ciel n'émet de lumière bleue. L'air est transparent, et le soleil lui-même paraît plutôt blanc.
Et pourtant, même en regardant loin du soleil, le ciel reste bleu. Une lumière bleue nous parvient depuis une direction où il ne devrait rien y avoir.
Puis vient le soir. Le même soleil devient rouge. Ce n'est pas que sa température ait baissé, ni que sa couleur ait changé.
Ce qui change, ce n'est pas le soleil, mais la quantité d'air que sa lumière a traversée avant de nous atteindre.
Les molécules d'air ne se contentent pas de laisser passer la lumière : elles la renvoient dans toutes les directions. Dans ce processus, la lumière bleue est dispersée plus de quatre fois plus que la lumière rouge. C'est pourquoi le bleu tombe de partout dans le ciel.
Le soir, la lumière traverse une distance d'air bien plus longue que le jour. Le bleu est dispersé et épuisé en chemin ; seul le rouge restant nous parvient.
En somme, le ciel bleu et le coucher de soleil rouge sont le même phénomène, vu soit du côté « dispersé », soit du côté « ce qui reste ». Voyons cela dans l'ordre.
D'abord, que veut dire « disperser » ?
La lumière du soleil est une lumière blanche, mélange de plusieurs couleurs. En la faisant passer dans un prisme, elle se sépare en couleurs de l'arc-en-ciel parce que ce mélange se décompose.
Quand cette lumière traverse l'air, elle rencontre les molécules d'air (azote, oxygène). Une partie de la lumière cesse alors d'aller tout droit et part dans toutes les directions. C'est ce qu'on appelle la diffusion.
Ce qui compte, c'est que la facilité à être dispersé varie énormément selon la couleur. La lumière a des propriétés d'onde, et chaque couleur correspond à une finesse d'onde (longueur d'onde) différente. Le rouge a une onde ample, le bleu une onde fine.
Plus l'onde est fine, plus elle est sensible aux petites particules. Les molécules d'air sont bien plus petites que la longueur d'onde de la lumière, ce qui rend cet effet extrême. En gros, le bleu est dispersé plus de quatre fois plus que le rouge.
La lumière bleue dispersée part dans toutes les directions. Une partie entre dans nos yeux. C'est pourquoi, même en regardant loin du soleil, du bleu nous parvient de cette direction.
Autrement dit, le ciel paraît bleu parce que l'air lui-même semble « briller ». Sur la Lune, sans atmosphère, le ciel reste noir même en plein jour : il n'y a rien pour disperser la lumière, donc rien ne parvient d'une autre direction que le soleil.
Alors pourquoi le ciel n'est-il pas « violet » ?
Une question pertinente se pose ici. Il existe une couleur à onde encore plus fine que le bleu : le violet. Si plus l'onde est fine, plus elle se disperse, le ciel ne devrait-il pas être violet ?
C'est une excellente question, et la réponse combine plusieurs raisons. Au moins ces trois-là se superposent.
- La lumière du soleil contient déjà peu de violet. Le soleil émet une lumière plus faible dans le violet que dans le bleu. Même facilement dispersé, s'il y a peu de matière première, la quantité reste faible.
- Le violet est réduit en haute altitude. Dans les hautes couches de l'atmosphère, une partie du violet et des ultraviolets est absorbée. Moins atteint le sol.
- L'œil humain réagit peu au violet. Les cellules qui perçoivent la couleur réagissent bien autour du bleu, mais leur sensibilité chute dans le violet. De plus, lorsque violet et bleu se mélangent, le cerveau les perçoit comme un « blanc bleuté ».
En somme, le bleu du ciel est le résultat combiné non seulement de la physique, mais aussi des propriétés du soleil et de l'œil humain. Si une autre créature, avec des yeux différents, regardait le même ciel, elle le verrait sans doute d'une autre couleur.
Le soleil, l'air et l'œil : c'est un travail à trois.
Pourquoi le coucher de soleil est rouge
Le soir, le soleil est près de l'horizon. Sa lumière nous parvient alors beaucoup plus en biais, après avoir traversé une longue distance d'air, comparée à la lumière venant d'en haut. Près de l'horizon, elle traverserait des dizaines de fois plus d'air qu'au zénith.
Pendant ce long trajet, la lumière bleue est dispersée de plus en plus. Le bleu dispersé part de côté et disparaît de la lumière qui vient droit vers nos yeux.
Les couleurs les moins dispersées survivent jusqu'au bout — le rouge et l'orange. C'est pourquoi le soleil couchant est rouge, et le ciel du soir se teinte d'orange.
Voici ce qui est intéressant. Le ciel bleu et le coucher de soleil rouge proviennent d'un seul et même fait : le bleu se disperse facilement. Vu de côté, le bleu dispersé donne un ciel bleu ; vu de face, le rouge qui a échappé à la dispersion donne un coucher de soleil.
- Pourquoi les nuages sont blancs : les gouttelettes des nuages sont bien plus grandes que les molécules d'air, de taille comparable à la longueur d'onde de la lumière, voire plus grandes. À cette taille, la différence entre couleurs disparaît presque, et toutes les couleurs sont dispersées de la même façon. Mélanger toutes les couleurs donne du blanc. C'est aussi pourquoi la glace pilée ou la mousse paraissent blanches.
- Après une éruption volcanique, les couchers de soleil deviennent étrangement vifs : les fines particules des cendres restent longtemps dans le ciel et modifient la façon dont la lumière est dispersée. Après de grandes éruptions historiques, des couchers de soleil anormaux ont été observés partout dans le monde (le mécanisme des éruptions elles-mêmes).
- Les montagnes lointaines paraissent bleutées : l'air entre la montagne et nous disperse la lumière bleue et nous l'envoie. Plus la distance est grande, plus la teinte bleue est marquée. Dans les peintures de paysage, le bleu des arrière-plans reproduit cet effet.
- On dit qu'un coucher de soleil rouge annonce le beau temps du lendemain : près du Japon, le temps évolue souvent d'ouest en est, donc un coucher de soleil visible est la preuve qu'il y a peu de nuages à l'ouest. Le dicton a donc un certain fondement.
Une expérience à faire dans la cuisine
- Remplissez un verre ou une bouteille transparente d'eau
- Ajoutez juste quelques gouttes de lait et mélangez légèrement (l'astuce : ne pas en mettre trop ; l'eau doit juste devenir légèrement trouble)
- Dans une pièce sombre, éclairez l'eau de côté avec la lampe du téléphone, et regardez-la de côté → elle paraît bleu blanchâtre
- Placez ensuite la lampe de l'autre côté et regardez dans la direction d'où vient la lumière traversant l'eau → elle paraît orange
- Plus le récipient est long et la distance traversée grande, plus l'orange est intense
Les fines particules du lait jouent le rôle des molécules d'air. Vu de côté, c'est le ciel bleu ; vu dans l'axe de la lumière traversée, c'est le coucher de soleil. La même eau montre deux couleurs selon la direction d'observation. Ce qui se passe dans le ciel se reproduit à l'identique dans un verre.
En résumé
Le ciel est bleu parce que l'air disperse surtout la lumière bleue. Le coucher de soleil est rouge parce que, à cause de cette même propriété, le bleu se perd pendant un long trajet. C'est un seul fait, vu sous deux angles différents.
Le ciel bleu et le coucher de soleil rouge ne sont pas deux phénomènes séparés.
C'est la même chose, vue de deux côtés.
Ce même phénomène — « une lumière ayant traversé une longue distance devient rouge » — explique aussi pourquoi la Lune paraît rouge lors d'une éclipse totale. Les détails sont expliqués dans cet article. Vous pouvez aussi lire cet article sur l'océan, bleu lui aussi, mais pour un mécanisme totalement différent. Enfin, les ultraviolets, dont la longueur d'onde est encore plus courte que celle du bleu, se dispersent encore plus violemment et tombent de tout le ciel. C'est pourquoi on peut bronzer même par temps couvert, comme expliqué dans cet article.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuelsDu collège aux sujets encore en recherche, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau du programme de « physique de base » au lycée
- Lycée+Niveau « physique » du lycée, ou contenu avancé/complémentaire des manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (électromagnétisme, optique atmosphérique)
- RecherchePas encore enseigné comme « établi » même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots autour de la lumière et des couleurs
- Longueur d'onde : la finesse de l'onde lumineuse. Dans le visible, environ 380 nm (violet) à 780 nm (rouge). nm = nanomètre (un millionième de millimètre).
- Dispersion : séparation de la lumière blanche en couleurs de l'arc-en-ciel par un prisme (le mécanisme de l'arc-en-ciel ici). Elle se produit parce que l'angle de réfraction diffère selon la couleur.
- Diffusion : changement de direction de la lumière au contact d'une particule. C'est le « disperser » du texte principal.
- Diffusion de Rayleigh : diffusion quand la particule est bien plus petite que la longueur d'onde de la lumière. C'est le cas de la diffusion par les molécules d'air. C'est la véritable cause du bleu du ciel.
- Diffusion de Mie : diffusion quand la particule est de taille comparable ou supérieure à la longueur d'onde. C'est le cas des nuages, du brouillard, des gouttelettes de lait, où la différence selon la couleur s'atténue.
LycéeLycée+Vérifions par le calcul : combien de fois plus le bleu se disperse-t-il que le rouge ?
C'est calculable directement. Une seule relation suffit, avec seulement division et puissance.
I ∝ 1 / λ⁴
| I Intensité dispersée | Combien la lumière dévie |
| λ Longueur d'onde | Unité : nm (nanomètre) |
| ∝ Proportionnel à | Signe de « proportionnalité », pas « égal » |
Autrement dit : plus la longueur d'onde est courte, plus la dispersion est forte. Et comme l'effet est à la puissance 4, une petite différence de longueur d'onde change énormément la dispersion.
Pour comparer deux couleurs, on fait un rapport. En simplifiant numérateurs et dénominateurs, on obtient simplement le rapport des λ élevé à la puissance 4.
| Longueur d'onde du bleu | λ ≈ 450 nm |
| Longueur d'onde du rouge | λ ≈ 650 nm |
| Rapport à calculer | bleu ÷ rouge = (650 ÷ 450)⁴ |
| D'abord, la parenthèse | 650 ÷ 450 ≈ 1,44 |
| Puis à la puissance 4 | 1,44⁴ ≈ 4,3 |
| Résultat | Le bleu se disperse environ 4,3 fois plus que le rouge |
La différence de longueur d'onde n'est que de 1,44 fois, mais le résultat atteint 4,3 fois. C'est la force de la puissance 4 qui se révèle ici. C'est tout le secret du bleu du ciel.
Le rougissement du soir vient du fait que la longueur d'air traversée change. Plus le soleil est bas, plus la lumière parcourt une longue distance dans l'air. Cette longueur peut aussi être calculée.
| Longueur au zénith | prise comme référence 1 |
| À 30° de hauteur | 1 ÷ 0,50 = 2,0 fois |
| À 10° de hauteur | 1 ÷ 0,17 ≈ 5,9 fois |
Plus le trajet est long, plus le bleu, facilement dispersé, est dévié et épuisé en chemin. Ce qui atteint l'œil tout droit n'est plus que le rouge, peu dispersé. Le bleu domine donc le ciel, et comme il s'échappe le premier, le coucher de soleil est rouge. Les deux sont les deux faces de la même formule.
※ 0,50 et 0,17 sont les sinus des hauteurs angulaires correspondantes. Comme l'atmosphère réelle s'amincit avec l'altitude, le trajet près de l'horizon est en réalité plus long que ce calcul simplifié.
Une question naturelle se pose ici. Le violet a une longueur d'onde plus courte que le bleu, donc le ciel ne devrait-il pas être violet ? Calculons.
| Longueur d'onde du violet | λ ≈ 400 nm |
| Rapport par rapport au rouge | (650 ÷ 400)⁴ ≈ 7,0 fois |
Par le calcul, le violet se disperse encore plus que le bleu. Pourtant le ciel ne paraît pas violet. La raison est hors de la formule : la lumière du soleil contient déjà peu de violet, et l'œil humain y est peu sensible.
C'est un exemple important, je trouve. La formule nous dit « ce qui se passe », mais pas « comment on le voit ». Il faut combiner les propriétés de la source lumineuse et celles du récepteur pour obtenir la réponse finale.
La puissance 4 est l'élément clé. Une différence de longueur d'onde de seulement 1,4 fois change la quantité de diffusion de plus de 4 fois. C'est cette « puissance 4 » qui détermine la couleur du ciel.
Lycée+Par ailleurs, la lumière diffusée est polarisée. La lumière du ciel à 90 degrés du soleil est particulièrement polarisée. C'est pourquoi, en regardant le ciel avec des lunettes polarisantes tout en inclinant la tête, la luminosité du ciel change. On pense que les abeilles lisent ce motif de polarisation pour s'orienter.
UniversitéPourquoi la puissance 4 ?
La lumière est une onde électromagnétique. Quand elle frappe une molécule d'air, les électrons de la molécule sont agités par le champ électrique de la lumière et se mettent à vibrer. Une charge qui vibre émet elle-même une nouvelle onde électromagnétique (rayonnement dipolaire). C'est l'origine de la lumière diffusée.
Or, l'accélération de l'électron est proportionnelle au carré de la fréquence, et la puissance rayonnée est proportionnelle au carré de l'accélération. En combinant les deux, on obtient une proportionnalité à la puissance 4 de la fréquence, soit à la puissance −4 de la longueur d'onde. C'est l'origine de la loi de Rayleigh.
Plus généralement, quand la taille de la particule devient comparable ou supérieure à la longueur d'onde, il faut recourir à la théorie de Mie, qui résout exactement les équations de Maxwell pour une sphère. Plus la particule est grande, plus la dépendance à la longueur d'onde s'affaiblit, ce qui donne l'aspect blanc des nuages. Le bleu du ciel (molécules) et le blanc des nuages (gouttelettes d'eau) sont les deux extrémités d'un même phénomène de diffusion, selon la taille des particules.
RechercheCe qui reste encore débattu
- Le bleu profond du crépuscule ne s'explique pas uniquement par la diffusion de Rayleigh. Après le coucher du soleil, il existe un moment où le ciel devient intensément bleu. On a découvert que l'absorption par l'ozone joue un rôle important dans cette couleur. L'ozone absorbe faiblement les longueurs d'onde orange à rouge du visible, et cet effet s'accumule quand la lumière traverse une longue distance d'atmosphère. L'explication scolaire classique — « le bleu du ciel s'explique par la diffusion de Rayleigh » — est insuffisante pour ce moment précis. La façon d'estimer la part respective de l'ozone et de la diffusion de Rayleigh reste un sujet de recherche actuel.
- Prédire « numériquement » la couleur exacte du ciel reste difficile aujourd'hui. La couleur réelle du ciel dépend de nombreux facteurs : quantité et type d'aérosols (poussières, particules fines), vapeur d'eau, ozone, réflexion du sol, etc. Les calculs de transfert radiatif sont très développés, mais reproduire exactement la couleur du ciel à un moment et un lieu donnés exige de connaître les conditions atmosphériques avec une précision qu'on n'a pas toujours.
- Des tentatives existent pour reconstituer l'atmosphère passée à partir de tableaux anciens. Certaines recherches tentent d'estimer la quantité d'aérosols après de grandes éruptions à partir des teintes de couchers de soleil peints à l'époque. Mais la difficulté de traiter le style du peintre ou la décoloration des pigments laisse une marge d'incertitude dans les conclusions.
- La perception directionnelle par polarisation n'est pas non plus totalement comprise. Le fait que les insectes utilisent le motif de polarisation du ciel est établi, mais les détails de ce traitement de l'information, ainsi que le mécanisme du phénomène par lequel l'être humain percevrait très faiblement la polarisation (le pinceau de Haidinger), restent étudiés.
Même pour la couleur du ciel que nous voyons chaque jour, dire précisément « pourquoi cette couleur » par des chiffres n'est toujours pas simple.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・propriétés de la lumière / prisme et couleurs | La lumière blanche comme mélange de couleurs, notion de diffusion |
| Lycée | Physique de base・ondes / propriétés de la lumière | Correspondance longueur d'onde-couleur, étendue du visible |
| Lycée+ | Physique・ondes / polarisation (souvent contenu avancé) | Loi de la puissance 4 de la longueur d'onde, polarisation de la lumière diffusée |
| Université | Électromagnétisme・optique・physique atmosphérique | Rayonnement dipolaire, théorie de Mie, transfert radiatif |
| Université | Physiologie・science des couleurs | Sensibilité des cônes rétiniens, pourquoi le ciel n'est pas violet |
| Recherche | Optique atmosphérique (non résolu) | Contribution de l'ozone, prédiction quantitative de la couleur du ciel, perception de la polarisation |
- Rayleigh, Lord (J. W. Strutt), On the light from the sky, its polarization and colour, Philosophical Magazine, 1871 (article original sur la diffusion de Rayleigh).
- Bohren, C. F. & Huffman, D. R., Absorption and Scattering of Light by Small Particles (ouvrage de référence sur la théorie de la diffusion).
- Hulburt, E. O., Explanation of the brightness and color of the sky, particularly the twilight sky, Journal of the Optical Society of America 43, 113–118, 1953 (bleu du ciel au crépuscule et contribution de l'ozone).
- Lynch, D. K. & Livingston, W., Color and Light in Nature (ouvrage de référence sur les couleurs dans la nature).
- Agence météorologique japonaise (気象庁), explications sur les phénomènes d'optique atmosphérique.
※ Les valeurs de longueur d'onde et les rapports de diffusion varient selon la valeur représentative choisie pour chaque couleur. Cet article indique les repères généralement utilisés.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères destinés à faire comprendre les mécanismes et peuvent varier selon les conditions. Par ailleurs, regarder directement le soleil peut endommager les yeux : limitez toute observation aux moments de lumière faible, autour du coucher du soleil, et pour une courte durée.