Note : Ce document ne se veut pas un traité de spectroscopie, il essaie simplement d'expliquer quelques phénomènes célestes.
La composition de l'atmosphère
L'atmosphère terrestre est composée principalement de molécules de dioxygène et de diazote, ces molécules se composent chacunes de deux atomes, ce sont des molécules diatomiques.
La distance séparant les deux atomes n'est pas fixe, elle varie au cours du temps, la molécule vibre. La vibration de la molécule, très rapide, a une propriété très particulière, elle diffuse ( disperse ) la lumière.
Lorsque la lumière traverse l'atmosphère, elle est donc diffusée dans toutes les directions, ce phénomène porte le nom de diffusion Rayleigh ( Robert John Rayleigh ( 1875 - 1947 ), physicien anglais, fut un précurseur dans le domaine de l'optique atmosphérique ). L'importance de cette diffusion est liée à la longueur d'onde de la radiation lumineuse. La longueur d'onde des radiations lumineuses va croissante du bleu vers le rouge, la lumière solaire est constituée de la somme d'une infinité de couleurs du rouge au bleu, qui constituent le spectre de la lumière blanche.
Il s'avère que la lumière bleue est diffusée de manière beaucoup plus importante que les radiations de plus grandes longueurs d'ondes. De manière générale, le bleu est plus diffusé que le vert qui est plus diffusé que le jaune lui même plus diffusé que le rouge.
Une grande partie de la lumière bleue nous arrivant du soleil est d'abord diffusée par l'atmosphère alors que les couleurs verte, jaune et rouge nous parviennent directement.
Le ciel apparaît donc bleuté et la lumière qui nous parvient directement du soleil, à laquelle il manque une partie de sa composante bleue, nous semble légèrement plus jaune qu'elle ne l'est avant d'avoir traversé l'atmosphère. Vu en dehors de l'atmosphère notre soleil émet donc une lumière plus blanche que celle qui est perçue sur terre.
La couleur du ciel varie énormément avec l'altitude. Le ciel est d'une couleur bleu foncé en altitude alors qu'il est beaucoup plus clair au niveau de la mer.
La raison en est fort simple, à basse altitude, la lumière qui nous parvient a rencontré un grand nombre de molécules ( la moitié de la masse de l'atmosphère se situe en dessous de 5500 m ), la diffusion est importante. A haute altitude au contraire, la lumière n'ayant pas encore traversé les zones denses de l'atmosphère, la diffusion de la lumière bleue est relativement limitée, le ciel est plus sombre.
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Photographie du chateau de la faye ( Auvergne ) |
Le sommet de l'everest |
En soirée, les rayons lumineux issus du soleil traversent l'atmosphère sur une épaisseur beaucoup plus grande qu'à midi lorsque le soleil est au zénith. La diffusion des rayons solaires est donc beaucoup plus importante qu'en journée.
Lorsque le soleil est au zénith, le trajet de la lumière solaire à travers l'atmospère est relativement court.
La diffusion de cette lumière blanche est donc limitée à la couleur bleue.
Lorsque le soleil se couche ( la situation est identique aux aurores ), le trajet de la lumière solaire à travers l'atmospère est plus important.
La diffusion de la lumière est plus importante, puisque les radiations lumineuses rencontrent davantage de molécules pendant le trajet.
La diffusion s'étend alors aux radiations vertes et en partie aux radiations jaunes.En réalité, l'épaisseur d'atmosphère traversée par les rayons lumineux est assez importante pour diffuser la lumière bleue mais aussi la lumière verte et une partie de la lumière jaune. Le ciel prend alors une teinte rosée alors que la lumière nous parvenant directement du soleil contient alors en majorité du rouge et du jaune. Le disque solaire nous apparaît donc de couleur rouge orangé...
La situation est identique au lever du soleil.
On dit quelquefois qu'un joli coucher de soleil de soleil rosé promet une belle journée ensoleillée pour le lendemain. De telles affirmations sont-elles fondées ?Nous avons vu que la teinte du ciel en soirée est due à la diffusion des rayons lumineux sur un trajet important. Cependant, si des nuages sont présents à quelques dizaines de kilomètres à l'ouest, ils interceptent la lumière diffusée encore plus à l'ouest. La couleur rosée du ciel peut alors ne pas être visible.
La présence de nuages à l'ouest bloque la lumière diffusée plus à l'ouest. L'horizon n'apparaît pas coloré. En résumé, si un crépuscule coloré, ne permet pas d'affirmer avec certitude que la journée suivante sera ensoleillée ( les nuages ne viennent pas forcément de l'ouest...), son absence indique la présence de nuages relativement proches à l'ouest.
Sur la lune, la situation est différente, notre satellite ne possèdant pas d'atmosphère, le ciel y est d'un noir d'encre.
Sur la face éclairée de la lune, les étoiles ne sont pas plus visibles que sur la terre en plein jour, mais le ciel est noir comme le montre la photograhie ci-contre qui représente la jeep lunaire ( Lunar Roving Vehicle ) de l'avant-dernière mission américaine sur la lune ( Apollo 16 ).Un autre cas, fort intéressant, est celui de Mars, cette planète ( la quatrième du système solaire ), a donné lieu a une exploration très poussée depuis les années 1970.
Deux sondes américaines Viking s'y sont posées en juillet et septembre 1976, elles nous ont fait parvenir un certain nombre de photographies intéressantes de la surface de la planète. En 1997, la mission PathFinder a permis à un petit robot d'une dizaine de kilogrammes ( Sojourner ) d'explorer quelques dizaines de mètres-carrés de la surface martienne. En 1999, deux missions vers Mars ont échoué, Mars Climate Orbiter a été détruit lors de la procédure d'entrée dans l'atmosphère de Mars et le contact a été perdu avec Mars Polar Lander. L'exploration de Mars s'oriente actuellement vers l'envoi de véhicules automatiques de taille imposante ( quelques centaines de kilogrammes ), la prochaine mission Mars Mobile Lander est prévue pour 2003.La planète Mars possède une atmosphère très ténue, la pression atmosphérique à la surface est de l'ordre du 1/100ème de ce qu'elle est sur terre. La couleur du ciel devrait donc être d'un bleu profond. Cependant, les variations de température, alliées à des phénomènes climatiques comme les poussières en suspension, les tempêtes de sables et la formation d'énormes nuages constitués de cristaux de glace, font que le ciel peut prendre une infinité de couleurs du rose au bleu sombre.
Les images ci-dessous montrent quelques aspects du ciel martien.
Dans des conditions d'éclairage favorables, la fumée de cigarette ou de cigare apparaît bleue, ce phénomène est également lié a la diffusion Rayleigh. La fumée de cigarettes exhalée, chargée de micro-goutellettes d'eau, apparaît blanche, la lumière est diffusée de la même manière quelle que soit sa longueur d'onde, il s'agit là de la diffusion de Mie.La diffusion de Mie s'observe lorsque la taille des particules diffusantes est plus importante. On peut ainsi expliquer la couleur blanche des nuages, ils diffusent l'ensemble du spectre de la lumière blanche et pas seulement les petites longueurs d'onde.
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Bruno BROLIS, dernière mise à jour 3 mars 2001
