Comment peut-on interpréter les différentes couleurs du ciel selon le lieu, le moment de la journée ou les conditions atmosphériques à la surface de la Terre ?

Résumé du document

Les couleurs du ciel terrestre ont toujours fait rêver mais aussi réfléchir. Pourquoi observait-on ce bleu d'un ciel dégagé, ce rouge d'un ciel de lever ou de coucher de soleil, ce gris frissonnant d'un ciel couvert ? C'est seulement avec les progrès de l'optique au cours des deux siècles derniers que fut levé le mystère. On a découvert que toutes ces questions ne se résumaient finalement qu'à une seule : comment la lumière interagit-elle avec les particules de l'atmosphère ?
Dans la théorie ondulatoire, la lumière est une onde et chaque couleur correspond à une longueur d'onde. Lorsque la lumière traverse de la matière, elle est diffusée par les molécules la constituant, c'est à dire que le faisceau de lumière, l'onde, initialement de direction donnée, est transformée en de multiples faisceaux pluridirectionnels en interagissant avec la matière. La lumière solaire, traversant l'atmosphère terrestre, est ainsi diffusée d'innombrables fois, ce qui est responsable des différentes couleurs du ciel.
Notre problématique se réduit donc à étudier le plus simplement possible les mécanismes de diffusion optique et à les appliquer au ciel terrestre.
Nous partirons d'une expérience reproduisant à moindre échelle les phénomènes observables dans le ciel terrestre. Nous appliquerons ainsi les deux théories de diffusion : la diffusion de Rayleigh et la diffusion de Mie.

Extraits

[...] La couleur violette correspond aux plus courtes longueurs d'onde visibles. Théoriquement les photons violets sont plus diffusés que les bleus, et le ciel devrait paraître violet. Deux raisons expliquent que ce n'est pas le cas : - d'une part la composante violette de la lumière solaire est moins intense que sa composante bleue, donc la diffusion est quantitativement moins importante pour les photons violets que pour les photons bleus. - d'autre part, l'œil humain est moins sensible aux longueurs d'onde violettes qu'aux longueurs d'onde bleues. [...]

[...] D'autre part, nous nous apercevons que pour une longueur d'onde donnée : l'intensité diffusée est la même pour un angle θ, -θ , π-θ , π+θ . Cela tient aux propriétés de la fonction : θ cos²(θ) dans la formule de Rayleigh l'intensité diffusée perpendiculairement ( θ = ) à la direction du rayon incident est minimale et deux fois moindre que celle diffusée rectilignement (θ 0 modulo π.) On dit que la direction θ 0 (modulo π) est la direction privilégiée pour la diffusion de Rayleigh. [...]

[...] Chaque particule possède une grandeur caractéristique appelée polarisabilité (aptitude plus ou moins importante d'un atome à devenir un dipôle électrique). Plus celle-ci est grande, plus les oscillations du dipôle électrique induit par l'incidence d'une onde optique sont importantes, et plus l'amplitude de l'onde diffusée est grande également. Ces considérations permettent d'établir, grâce à des outils de physique classique qui sont hors de notre portée de compréhension, la loi de Rayleigh, dans le cas d'une lumière non-polarisée, celle que nous avons exprimée au paragraphe précédent. [...]

[...] En effet, l'eau la composant, sous forme de gouttelettes, diffuse toutes les longueurs d'onde presque sans sélectivité : les nuages apparaissent soit blancs s'ils sont peu denses et absorbent peu les rayonnements solaires incidents, soit gris, s'ils sont plus épais, l'absorption ayant dans ce cas un rôle majeur. Mais lorsque les gouttelettes deviennent gouttes et atteignent les 10 µm, les lois de l'optique géométrique prennent le relais de la diffusion de Mie, produisant des phénomènes bien connus, comme les arcs-en-ciel par exemple. Enfin, des poussières issues du volcanisme par exemple ont le même aspect que les nuages, effet Mie oblige 3.5 - Remarque La diffusion de Mie n'est connue qu'empiriquement : il n'existe pas de loi la théorisant. [...]

[...] Il existe pourtant une diffusion par les particules de taille supérieure à 10 ou 100 nm, et inférieure à 10 µm, c'est à dire pour les aérosols, les particules en suspension comme l'eau des nuages On parle de DIFFUSION DE MIE. Enfin, au-delà de cette borne, on retombe dans l'optique géométrique, macroscopique étudiée dans les programmes de lycée ( réflexion, réfraction, diffraction ) que nous n'étudierons pas car elle ne nous est d'aucune utilité dans le cadre de la problématique. [...]