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Ciel bleu et rayon vert

Coucher de Soleil aux Caraïbes. Document http://www.royalcarib.com

Le nuancier de dame Nature (II)

La couleur bleue du ciel est la combinaison de la diffusion des rayonnements de courtes longueurs d'ondes comprenant les couleurs violet, indigo, bleu et vert dont les nuances donnent au ciel ses bleus si subtils.

Mais tout le monde a déjà remarqué qu'en altitude le bleu du ciel prend une tonalité très sombre alors qu'il peut être très délavé en bordure de mer ou devenir blanc brillant lorsque le ciel est couvert. Malgré le respect que nous devons à Rayleigh, c’est toujours lui le responsable de cette variation de tonalité.

A basse altitude la densité de l’air est plus importante qu'en altitude et l'atmosphère contient aussi beaucoup plus de poussières et de vapeur d’eau arrachées au sol ou transportée par les vents. Il est donc normal que la lumière bleue soit plus diffusée en bordure de mer car elle rencontre beaucoup plus d'obstacles qu’en altitude où la raréfaction de l’air influence moins la lumière bleue.

A ce propos, on observe également tôt le matin que certaines montagnes prennent parfois une couleur bleue comme les Smokey Mountains du Tennessee ou les Blue Ridge de Virginie. Dans ces zones forestières qui s'élèvent à plus de 1000 m d'altitude, des particules d'hydrocarbones peuvent être relâchées dans l'atmosphère par la végétation et se mélanger avec l'ozone stratosphérique. C'est la présence de minuscules particules de 0.2 micron de diamètre qui diffusent la lumière bleue. Plus la distance entre les montagnes et l'observateur est grande, plus la diffusion est importante et plus les montagnes semblent bleues. A ce phénomène s'ajoute en Virginie la présence de Kyanite (Al2SiO5) dans les roches qui leur donne une tonalité gris-bleutée.

Un phénomène similaire se produit dans la vallée de la Meuse en Belgique riche en "pierre bleue" (marbre). La dominante bleue peut-être accentuée par la présence de brume ou de brouillard dans le fond des vallées.

Les montagnes bleues de la châine des Appalaches. A gauche, les Smokey Mountains du Tennessee, au centre et à droite, les Blue Ridge de Virginie. Documents Mountain Valley, The College of William & Mary et Rainbow Mountain Children School.

La couleur du ciel

La couleur bleue du ciel dépend également de la turbulence atmosphérique. Un ciel bleu n’est pas nécessairement synonyme de beau temps ou de régime anticyclonique. Souvent en été lorsque la terre s'est asséchée, le ciel prend une couleur bleue pâle en raison de la grande quantité de poussière présente dans la basse atmosphère; l'anticyclone poussant l'air vers le sol, l'horizon devient brumeux et il est rare dans ces conditions d'observer de beaux phénomènes atmosphériques (réfraction du Soleil couchant en forme d'Omega, etc) à moins que les nuages ne s'enflamment dans les feux du Soleil.

Inversement entre les fronts froids et les dépressions lorsque la turbulence est importante, des éclaircies passagères et leur "rues de cumulus" caractéristiques (un ciel de traîne) nous offrent l’occasion d’observer un ciel bleu très limpide, dans lequel les poussières sont dispersées dans tout le volume, jusqu’à la tropopause.

Meteo-France nous rappelle que ""le bleu du ciel est normalement plus intense pendant les hautes pressions du printemps ou de l'automne que pendant celles des mois d'été. Même lorsqu'il y a des hautes pressions, le bleu est affaibli en hiver durant une inversion". Tout ceci s'explique en raison de la distribution des poussières en fonction de l'intensité de la turbulence.

Il y a bleu et bleu... Ces deux images de bord de mer prises respectivement sur la côte d'Azur (Cassis) et à Manau nous semblent idylliques mais nous indiquent que les conditions météos sont loin d'être stables. Voici ce que nous dit Météo-France : Un ciel bleu très foncé, lié à une très bonne visibilité, doit faire penser à un temps instable. Une aggravation accompagnée de vent (tempête) et de précipitations n'est pas à exclure. Un bleu moyen ou clair et lumineux fait présager la persistance du beau temps. Un passage graduel du bleu au blanc ou au gris, lié à de la brume, permet de prévoir un changement de temps (basse pression). Un horizon bleu peut être le résultat d'un front froid, mais généralement, c'est dû à une couche d'air froid juste au-dessus de l'eau. En fait, normalement l'air à la surface du sol est plus chaud, mais dans ce cas, la couche froide est juste au-dessus de l'océan. Documents Alain Drozd et Manau.

Si le ciel est bleu pour une raison à présent évidente, pourquoi les nuages sont-ils blancs ? Les nuages sont constitués de minuscules particules d'eau liquide ou de glace, ou les deux simultanément, en suspension dans l'atmosphère. Ces nuages peuvent également contenir des particules liquides non aqueuses ou des particules solides, provenant par exemple de vapeurs industrielles, de fumées ou de poussières.

La diffusion de Mie

Leur formation est liée au déplacement des masses d'air stables ou instables jusqu'à un niveau supérieur à leur niveau de condensation, altitude où ils deviennent visibles. Les particules individuelles dont ils sont constitués sont jusqu'à 10 fois plus grandes que la longueur d'onde de la lumière visible (rouge, 650 nm). C'est la diffusion de Mie cette fois qui explique la couleur laiteuse des nuages : la diffusion s'applique de la même manière à toutes les longueurs d'ondes. La lumière rouge est donc autant diffusée que la lumière bleue. Ensuite toutes les couleurs sont elles-mêmes rétrodiffusées. Globalement, les nuages ont la même couleur que celle de la lumière solaire qui les frappe (un effet similaire se produit à la surface du lait)

A la lumière du Soleil couchant

Pourquoi le Soleil prend-il une couleur rouge vermillon au coucher ou aux premières lueurs de l'aube ? Au coucher du Soleil, pour ne prendre que cet exemple, le même phénomène se produisant à l'aube, la lumière arrive de l'horizon et parcourt un plus long trajet dans l'atmosphère que lorsque le Soleil est à la verticale du lieu. La diffusion de la lumière est importante ce qui explique pourquoi le Soleil est beaucoup moins lumineux et peut être observé sans que nous soyons ébloui lorsqu'il est à deux doigts de l'horizon. Sa couleur passe progressivement de l'orange au rouge car cette fois ce sont les rayonnements bleus et verts, de courtes fréquentes, qui sont diffusés et seule la lumière rouge traverse l'atmosphère et parvient à l'observateur. 

A lire : Interactions avec l'atmosphère

Explications et calculs préparés par l'ENS de Lyon

A gauche, un coucher de Soleil sur le site de Mauna Kea à Hawaii où a été érigé le télescope Gemini North, à droite l'observatoire de Calar Alto en Espagne. Documents Gemini et AlltheSky.

Quant à l'auréole de couleurs dégradées qui entoure le Soleil couchant, le phénomène est d'autant plus spectaculaire lorsque l'air contient de très fines particules de poussière ou d'eau en suspension; leur petite taille permet de réfléchir la lumière dans toutes les directions. La lumière qui se dirige dans votre direction subit des diffusions différentes selon la fréquence du rayonnement, les longueurs d'ondes les plus longues (rouges) vous parvenant le plus facilement. C'est ainsi que le ciel peut littéralement s'enflammer et prendre des couleurs rouge, rose ou oranges vives durant quelques dizaines de minutes.

Dans certaines circonstances les poussières soulevées du sol diffusent la lumière et accentuent cette tonalité rouge en lui ajoutant des nuances de couleurs chaudes allant du jaune vif au rouge-brun. Ce phénomène est particulièrement marqué après les éruptions des volcans gris crachant de grands panaches de poussières et de cendres ou après certains cataclysmes naturels tel l'impact d'un astéroïde. Les premiers ont toujours produits de merveilleux coucher de Soleil, surtout en automne ou en hiver par un beau ciel dégagé. 

Rappelons pour terminer que les éjections de poussière volcanique ont des conséquences sur le climat. Leur effet direct est une diffusion de la lumière solaire dans l'espace. Leur effet indirect est une modification de la taille des aérosols dans la basse atmosphère en changeant la réflectance des nuages et leur manière d'absorber la lumière, ce qui affecte le bilan énergétique de la Terre.

A consulter : Les plus beaux couchers de Soleil

A gauche, un coucher de Soleil photographié en juin 1991 après l'éruption du volcan Pinatubo. A droite, un coucher de Soleil après l'éruption du volcan Rinjani sur l'île de Lombok en Indonésie. On reconnaît à droite le Mt Batur sur l'île de Bali. Documents NASA/Kids et Mike Meaney.

Coucher de Soleil extraterrestre

Si nous pouvions visiter Mars ou Vénus nous constaterions que le Soleil présente là-bas aussi une coloration orange. Pour Mars le problème n'est pas tant lié à son atmosphère, qui est dix à cent fois plus ténue que celle de la Terre (entre 6 et 85 mb) mais à la présence de déserts de sable qui provoquent régulièrement des tempêtes à l'échelle du globe en raison des fortes variations de température et de la petite taille de la planète. Au coucher du Soleil, l'atmosphère prend une couleur orange, rose ou rouge en raison de la poussière en suspension dans "l'air" (c'est du gaz carbonique).

Un phénomène similaire se produit sur Vénus. Comme sur Terre à l'aube ou au crépuscule, toute la lumière de courte longueur d'onde est diffusée dans l'atmosphère dense de Vénus lui donnant l'impression d'être plongée dans une perpétuelle lueur crépusculaire jaunâtre.

Couchers de Soleil sur Mars. A gauche, le crépuscule photographié vers 16h10 locale au Sol 24, le 29 juillet 1997 par Mars Pathfinder (la plate-forme fixe sur laquelle était posée la rover Sojourner). Notons que depuis 2002, lors du traitement d'image la tonalité rouge a été réduit de30 %. A droite, un crépuscule sur Gusev photographié par le rover Spirit au Sol 489, le 19 mai 2005. Documents NASA/JPL/Pathfinder et NASA/JPL/MER.

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