L’aspect du ciel est en perpétuel changement. Si certaines caractéristiques se renouvellent périodiquement comme sa couleur bleue en plein jour de beau temps ou sa couleur noire la nuit, d’autres phénomènes sont plus épisodiques et surprenants, tels les arcs en ciel, les aurores boréales, les parhélies, les spectres de Brocken. Les anciens attribuaient ces faits à une intervention divine. Les progrès de notre connaissance de l’atmosphère terrestre permettent de les expliquer à l’aide des lois de la physique.

Les couleurs du ciel

Pourquoi le ciel est-il bleu le jour ? Le Soleil émet du rayonnement à toutes les longueurs d’onde et notamment dans la bande étroite visible par nos yeux entre le violet (0,4 micromètres) et le rouge (0,8 micromètres). Les molécules gazeuses de l’atmosphère (oxygène, azote, dioxyde de carbone, vapeur d’eau) ont une taille de l’ordre du nanomètre, très inférieure aux longueurs d’onde de cette bande visible. Elles diffusent ces longueurs d’ondes dans toutes les directions, mais la diffusion du bleu foncé est environ 10 fois plus forte que celle du rouge. C’est ce qui explique la couleur bleue du ciel.

Pourquoi le ciel devient il rouge à l’aube ou au crépuscule ? Lorsque le Soleil est bas sur l’horizon, l’épaisseur de la couche atmosphérique traversée par les rayons qui parviennent à l’observateur est bien plus importante que pendant la journée. Les courtes longueurs d’onde sont totalement diffusées, on ne voit alors que les plus grandes, moins diffusées, et le ciel paraît rouge orangé dans la direction du Soleil. Notons que le Soleil paraît blanc en plein jour car on reçoit une lumière transmise sans avoir été diffusée, qui est une superposition de toutes les longueurs d’onde.

Lorsque l’atmosphère contient des particules de taille comparable ou plus grande que la longueur d’onde du rayonnement visible, comme les gouttelettes d’eau, les cristaux de glace, les poussières, fumées et pollens, la diffusion suit des lois différentes : elle varie beaucoup moins du bleu au rouge. Ce mécanisme se produit plutôt dans les basses couches de l’atmosphère, les plus chargées en polluants. Le ciel acquiert un aspect bleu délavé voire grisâtre car toutes les longueurs d’onde du spectre visible sont diffusées de manière comparable.

Ainsi les différentes nuances de bleu que prend le ciel dépendent de la quantité de vapeur d’eau et de poussières dans l’air. Plus cette quantité augmente, plus la proportion de vert et de jaune est importante donnant une teinte plus claire au bleu. 

Lorsque la taille des particules atmosphériques est beaucoup plus grande que la longueur d’onde du rayonnement comme les gouttes d’eau présentes dans les nuages et les brouillards, la diffusion affecte toutes les longueurs d’onde, ce qui explique la couleur blanche des nuages. Quand ils sont très chargés en eau, ils absorbent une grande partie de la lumière venue du Soleil et deviennent sombres.

La nuit noire

Dans l’espace, au-delà de l’atmosphère terrestre, le ciel apparaît tout noir avec des foyers lumineux correspondant au disque solaire, aux planètes et aux étoiles. Sur Terre, pendant la nuit, la Lune et les étoiles éclairent faiblement nôtre planète et les phénomènes décrits plus haut existent encore. Mais dans la rétine de nos yeux, seuls les bâtonnets sont sensibles aux faibles intensités lumineuses, contrairement aux cônes actifs en lumière plus intense, ils ne permettent pas de distinguer les couleurs : la nuit tous les chats sont gris.

Spectaculaires arcs en ciel

Après une assez forte pluie, dans un ciel chargé en fines gouttelettes d’eau, du côté opposé au Soleil qui vient de réapparaître, des arcs en ciel sont souvent visibles. Ce phénomène est dû à la réfraction de la lumière, c’est-à-dire à la déviation des rayons lumineux qui traversent une interface entre deux milieux comme l’air et l’eau. Cette déviation dépend de la longueur d’onde, donc de la couleur.  Ainsi un rayon de lumière blanche qui pénètre dans une goutte d’eau sphérique dont le diamètre est de l’ordre du millimètre subit une première réfraction à travers l’interface air/eau. Ce rayon atteint ensuite la face arrière de la goutte où il est partiellement réfléchi. Il revient vers la face avant et traverse à nouveau l’interface eau/air en subissant une deuxième réfraction. Le rayon parvenant à l’œil de l’observateur en provenance des gouttelettes situées dans une bande circulaire dont l’axe est la ligne droite allant du Soleil à l’observateur constitue l’arc en ciel primaire. Le bleu est à l’intérieur de la bande et le rouge à l’extérieur. Les rayons issus du Soleil peuvent subir à l’intérieur des gouttes une seconde réflexion avant de ressortir et provoquent alors un arc secondaire extérieur au précédent, moins lumineux que l’arc primaire avec les couleurs inversées.

L’étonnant spectre de Brocken

À travers le hublot d’un avion on observe parfois sur de la brume ou des nuages l’ombre de cet avion. Au sommet d’une montagne, on observe parfois celle d’un objet comme une croix, ou encore l’ombre de l’observateur lui-même. Il s’agit d’un spectre de Brocken (Brocken est le nom d’une montagne d’Allemagne où ce phénomène a été décrit en 1781). Pour l’observer il faut que le Soleil soit bien dégagé d’un côté, qu’un nuage soit présent de l’autre et qu’un objet ou un personnage s’interpose entre les deux. L’ombre n’est visible qu’au voisinage de l’axe Soleil-observateur-nuage. Ses dimensions sont proportionnelles à la distance entre l’objet et le nuage. Lorsque le vent déplace le nuage, l’ombre semble bouger et se déformer. Parfois cette ombre est entourée d’un cercle lumineux coloré semblable à un arc en ciel, il s’agit alors d’un spectre de Brocken avec gloire ou anthélie. Cette apparition assez rare fut à l’origine de croyances en des phénomènes surnaturels et a inspiré Baudelaire dans Les Paradis artificiels. La formation de la gloire est due à la rétrodiffusion de la lumière solaire par des gouttelettes d’eau d’un diamètre de l’ordre du centième de millimètre.

Les parhélies ou faux soleils

Il s’agit de l’apparition de deux répliques très lumineuses du Soleil situées de part et d’autre de ce dernier, placées sur une ligne horizontale et donnant l’impression de l’existence de plusieurs soleils. Leur écartement angulaire par rapport à la direction du Soleil est variable et leur durée d’apparition peut être de quelques secondes à plusieurs minutes. Ce phénomène se produit lorsque le Soleil est assez bas sur l’horizon et les nuages chargés de glace, ce qui arrive souvent dans les régions polaires. Les cristaux de glace ont la forme de prismes hexagonaux qui, en tombant, peuvent former un réseau qui réfracte partiellement la lumière solaire. Il se forme alors un halo de lumière autour du Soleil avec des images de ce dernier aux deux extrémités du halo. Pour Sénèque ce phénomène était un prodige annonçant des évènements funestes.  

Les aurores polaires

Ce phénomène spectaculaire attire de nombreux touristes, notamment au nord de la Norvège. Lors des éruptions solaires d’énormes quantités de particules chargées d’électricité comme les protons ou les électrons sont projetées dans l’espace. Lorsque ces particules entrent dans le champ magnétique terrestre, elles sont piégées autour des pôles, elles ont un mouvement hélicoïdal et entrent en collision avec les molécules et les atomes de gaz raréfiés qu’elles ionisent. Ces molécules excitées émettent alors de la lumière, les aurores boréales dans l’hémisphère nord, australes dans l’hémisphère sud. La couleur de ces émissions dépend de la nature des molécules et atomes excités, les principales contributions provenant de l’oxygène et de l’azote. L’oxygène émet surtout du vert et un peu de rouge, tandis que l’azote émet du bleu, du rouge et du violet. On pourrait croire que ce phénomène se produit à la hauteur des nuages. En réalité il se produit dans l’ionosphère à plusieurs centaines de kilomètres au dessus du sol, le plus souvent vers 100-150 km d’altitude.

Ce billet s’appuie sur plusieurs articles publiés dans l’Encyclopédie de l’Environnement, qui montrent que les spectacles lumineux visibles dans le ciel, souvent somptueux, sont dus à des phénomènes naturels maintenant bien compris :

• Les couleurs du ciel
• Les halos atmosphériques
• Spectaculaires arcs-en-ciel
• L'étonnant spectre de Brocken
• La haute atmosphère


 

Ce travail a été réalisé grâce au soutien financier d'UGA Éditions dans le cadre du programme "Investissement d'avenir", géré par l'Agence nationale de la Recherche.

*Image de couverture : Pixabay, libre de droits.

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