La combinaison d’un ciel bleu, sombre au-dessus de la tête, plus clair près de l’horizon, ainsi qu’un Soleil rougi au… soit au lever ou au coucher du soleil, peuvent tous être expliqués scientifiquement, ainsi que la couleur bleue des océans comme un phénomène indépendant. Voici comment cela fonctionne sur le plan scientifique.
Si vous avez déjà été curieux du monde dans lequel vous vivez, vous vous êtes probablement demandé pourquoi le ciel est bleu. Les réponses incorrectes que les gens donnent souvent en réponse incluent :
- que la lumière du soleil a une teinte bleue,
- que l’oxygène lui-même est un gaz de couleur bleue,
- ou que le ciel reflète les océans.
Bien qu’aucune de ces réponses ne soit correcte, cette dernière tentative soulève une question connexe que les gens se posent souvent : pourquoi les océans sont-ils bleus ?
Vue de l’espace, la planète Terre est souvent décrite comme un point bleu pâle, mais ce ne sont que les océans qui apparaissent teintés de bleu. Les continents, les nuages et les calottes glaciaires n’apparaissent pas du tout en bleu ; ce sont les océans, et non l’atmosphère, qui donnent à notre planète son teint général. Pendant des milliers d’années, l’humanité a dû accepter ces propriétés de notre monde comme des faits. Mais grâce aux progrès de la science moderne, nous comprenons pourquoi le ciel et les océans sont bleus.
Lorsque le Soleil est haut dans le ciel, le ciel vers le zénith est d’un bleu beaucoup plus foncé, tandis que le ciel… vers l’horizon est d’une couleur cyan plus claire et plus vive. Cela est dû à la plus grande quantité d’atmosphère, et à la plus grande quantité de lumière diffusée, qui est visible à des angles bas sur le ciel.
Karsten Kettermann /
Contrairement à ce que vous avez pu lire, il n’y a pas un seul facteur responsable du ciel bleu de la Terre. Les cieux ne sont pas bleus parce que la lumière du soleil a une teinte bleue ; notre Soleil émet de la lumière de nombreuses longueurs d’onde différentes, et cette lumière se résume à une couleur blanche nette. L’oxygène lui-même n’est pas un gaz de couleur bleue, mais est plutôt transparent à la lumière. Cependant, il existe une myriade de molécules et de particules plus grosses dans notre atmosphère qui jouent un rôle, en diffusant la lumière de différentes longueurs d’onde dans des proportions différentes. L’océan ne joue aucun rôle dans la couleur des ciels, mais la sensibilité de nos yeux absolument : nous ne voyons pas la réalité telle qu’elle est, mais plutôt telle que nos sens la perçoivent et que notre cerveau l’interprète.
Ce sont ces trois facteurs – la lumière du Soleil, les effets de diffusion de l’atmosphère terrestre et la réponse de l’œil humain – qui se combinent pour donner au ciel son aspect bleu.
Animation schématique d’un faisceau lumineux continu dispersé par un prisme. Si vous aviez des yeux ultraviolets… et infrarouges, vous pourriez voir que la lumière ultraviolette se courbe encore plus que la lumière violette/bleue, tandis que la lumière infrarouge resterait moins courbée que la lumière rouge.
LucasVB / Wikimedia Commons
Lorsque nous faisons passer la lumière du soleil à travers un prisme, nous pouvons voir comment elle se divise en ses composants individuels. La lumière de plus haute énergie est aussi celle qui a la longueur d’onde la plus courte (et la haute fréquence), tandis que la lumière de plus basse énergie a des longueurs d’onde plus longues (et des fréquences plus basses) que ses homologues de haute énergie. La raison pour laquelle la lumière se divise tout court est que la longueur d’onde est la propriété critique qui détermine la façon dont la lumière interagit avec la matière.
Les grands trous de votre micro-ondes laissent entrer et sortir la lumière visible de courte longueur d’onde, mais gardent la lumière micro-ondes de plus grande longueur d’onde, en la réfléchissant. Les revêtements fins de vos lunettes de soleil réfléchissent la lumière ultraviolette, violette et bleue, mais laissent passer les verts, jaunes, oranges et rouges de plus grande longueur d’onde. Et les minuscules particules invisibles qui composent notre atmosphère – des molécules comme l’azote, l’oxygène, l’eau, le dioxyde de carbone, ainsi que des atomes d’argon – diffusent la lumière de toutes les longueurs d’onde, mais sont préférentiellement plus efficaces pour diffuser la lumière bleue, de plus courte longueur d’onde.
La diffusion de Rayleigh affecte la lumière bleue plus sévèrement que la rouge, mais parmi les longueurs d’onde visibles,… la lumière violette est la plus diffusée. C’est uniquement en raison de la sensibilité de nos yeux que le ciel apparaît bleu et non violet. Les lumières visibles de la plus grande longueur d’onde et de la plus petite longueur d’onde connaissent une différence de diffusion de Rayleigh de près d’un ordre de grandeur complet.
Il y a une raison physique derrière cela : toutes les molécules qui composent notre atmosphère sont de taille plus petite que les différentes longueurs d’onde de la lumière que l’œil humain peut voir. Les longueurs d’onde les plus proches des tailles des molécules présentes se diffuseront plus efficacement ; quantitativement, la loi à laquelle elle obéit est connue sous le nom de diffusion de Rayleigh.
La lumière violette, à la limite des courtes longueurs d’onde de ce que nous pouvons voir, se diffuse plus de neuf fois plus fréquemment que la lumière rouge, à grande longueur d’onde, à l’autre extrémité de notre vision. C’est pourquoi, lors des levers et couchers de soleil et des éclipses lunaires, la lumière rouge peut encore traverser efficacement l’atmosphère, mais les longueurs d’onde plus bleues de la lumière sont pratiquement inexistantes, ayant été préférentiellement dispersées.
Certains matériaux opalescents, comme celui présenté ici, ont des propriétés de diffusion Rayleigh similaires à… l’atmosphère. Avec une lumière blanche éclairant cette pierre depuis le haut de la droite, la pierre elle-même diffuse la lumière bleue, mais laisse la lumière orange/rouge passer préférentiellement sans être découragée.
Puisque les longueurs d’onde de lumière plus bleues sont plus faciles à diffuser, toute lumière solaire directe entrante deviendra de plus en plus rouge à mesure qu’elle traverse l’atmosphère. Le reste du ciel, cependant, sera éclairé par la lumière solaire indirecte : la lumière qui frappe l’atmosphère et est ensuite redirigée vers vos yeux. L’écrasante majorité de cette lumière sera de longueur d’onde bleue, ce qui explique pourquoi le ciel est bleu pendant la journée.
Il ne prendra une teinte plus rouge que si l’atmosphère est suffisante pour disperser cette lumière bleue avant qu’elle n’atteigne vos yeux. Si le Soleil est sous l’horizon, toute la lumière doit traverser de grandes quantités d’atmosphère. La lumière bleue est diffusée dans toutes les directions, tandis que la lumière rouge est beaucoup moins susceptible d’être diffusée, ce qui signifie qu’elle emprunte un chemin plus direct vers vos yeux. Si vous vous trouvez un jour dans un avion après le coucher du soleil ou avant son lever, vous pouvez avoir une vue spectaculaire de cet effet.
Depuis de très hautes altitudes dans le ciel avant le lever ou après le coucher du soleil, on peut voir un spectre de couleurs,… causé par la diffusion de la lumière du soleil, plusieurs fois, par l’atmosphère. La lumière directe, à proximité de l’horizon, rougit énormément, tandis que loin du Soleil, la lumière indirecte n’apparaît que bleue.
Ceci pourrait expliquer pourquoi les couchers et levers de soleil, ainsi que les éclipses lunaires sont rouges, mais pourrait vous amener à vous demander pourquoi le ciel apparaît bleu au lieu de violet. En fait, il y a une plus grande quantité de lumière violette provenant de l’atmosphère que de lumière bleue, mais il y a aussi un mélange des autres couleurs. Comme vos yeux contiennent trois types de cônes (pour détecter les couleurs), ainsi que des bâtonnets monochromatiques, ce sont les signaux des quatre qui doivent être interprétés par votre cerveau lorsqu’il s’agit d’attribuer une couleur.
Chaque type de cône, plus les bâtonnets, sont sensibles à la lumière de différentes longueurs d’onde, mais tous sont stimulés à un certain degré par le ciel. Nos yeux réagissent plus fortement aux longueurs d’onde de la lumière bleue, cyan et verte qu’au violet. Même s’il y a plus de lumière violette, elle n’est pas suffisante pour surmonter le fort signal bleu que notre cerveau délivre, et c’est pourquoi le ciel apparaît bleu à nos yeux.
La première vision avec des yeux humains de la Terre se levant au-dessus du limbe de la Lune. La découverte de la… Terre depuis l’espace, avec des yeux humains, reste l’une des réalisations les plus emblématiques de l’histoire de notre espèce. Apollo 8, qui s’est déroulée en décembre 1968, était l’une des missions précurseurs essentielles à un alunissage réussi, dont on fêtera le 50e anniversaire en juillet prochain. Notez que la couleur bleue de la Terre est due aux océans, et non à l’atmosphère.
Les océans, en revanche, sont une toute autre histoire. Si vous observez la planète dans son ensemble, avec une vue telle que celle que vous avez depuis l’espace, vous remarquerez que les étendues d’eau que nous avons ne sont pas d’un bleu uniforme, mais que leur teinte varie en fonction de la profondeur de l’eau. Les eaux profondes sont d’un bleu plus foncé ; les eaux moins profondes sont d’un bleu plus clair.
Vous remarquerez, si vous regardez attentivement une photo comme celle ci-dessous, que les régions aqueuses qui bordent les continents (le long des plateaux continentaux) est une nuance de bleu plus claire et plus cyan que les profondeurs sombres de l’océan.
Si vous voulez un ensemble de preuves plus directes que les océans eux-mêmes apparaissent bleus, vous pourriez essayer de plonger sous la surface de l’eau et d’enregistrer ce que vous voyez. Lorsque nous faisons cela, en prenant une photographie sous l’eau en lumière naturelle – c’est-à-dire sans aucune source de lumière artificielle – nous pouvons immédiatement voir que tout prend une teinte bleutée.
Plus nous descendons, puisque nous atteignons des profondeurs de 30 mètres, 100 mètres, 200 mètres et plus, plus tout paraît bleu. Cela a beaucoup de sens si l’on se rappelle que l’eau, tout comme l’atmosphère, est également constituée de molécules de taille finie : plus petites que les longueurs d’onde de toute lumière que nous pouvons voir. Mais ici, dans les profondeurs de l’océan, la physique de la diffusion est un peu différente.
Si vous descendez dans une masse d’eau et ne laissez votre environnement être éclairé que par…. la lumière naturelle du soleil depuis le haut, vous constaterez que tout prend une teinte bleutée, car la lumière rouge est la première à voir ses longueurs d’onde entièrement absorbées.
Au lieu de diffuser, ce qui est le rôle principal de l’atmosphère lorsque la lumière la traverse, un liquide comme l’eau absorbe principalement (ou n’absorbe pas) la lumière. L’eau, comme toutes les molécules, a une préférence pour les longueurs d’onde qu’elle peut absorber. Plutôt que d’avoir une dépendance directe à la longueur d’onde, l’eau peut plus facilement absorber la lumière infrarouge, la lumière ultraviolette et la lumière rouge visible.
Cela signifie que si vous vous dirigez vers une profondeur, même modeste, vous ne subirez pas un grand réchauffement du Soleil, vous serez protégé des rayons UV, et les choses commenceront à devenir bleues, car la lumière rouge est retirée. Descendez un peu plus bas, et les oranges disparaissent aussi.
Passé cela, les jaunes, les verts et les violets commencent à être emportés. En descendant à des profondeurs de plusieurs kilomètres, finalement la lumière bleue disparaît également, bien qu’elle soit la dernière à le faire.
C’est pourquoi les profondeurs océaniques les plus importantes apparaissent d’un bleu profond et sombre : parce que toutes les autres longueurs d’onde sont absorbées. Les bleus les plus profonds, uniques parmi toutes les longueurs d’onde de la lumière dans l’eau, ont la plus grande probabilité d’être réfléchis et réémis vers l’extérieur. À l’heure actuelle, l’albédo (terme technique désignant la réflectivité) moyen de notre planète est de 0,30, ce qui signifie que 30 % de la lumière incidente est renvoyée dans l’espace. Mais si la Terre était entièrement constituée d’un océan profond, notre albédo ne serait que de 0,11. L’océan est en fait plutôt bon pour absorber la lumière du soleil !
Composites globaux de deux hémisphères de données MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer),… prises en 2001 et 2002. Notez que ce sont nos océans, et nos océans seuls, qui donnent à notre planète son aspect bleu depuis l’espace.
NASA
Le ciel et l’océan ne sont pas du tout bleus à cause des réflexions ; ils sont tous deux bleus, mais chacun de leur propre volonté. Si vous enleviez entièrement nos océans, un humain à la surface verrait toujours des cieux bleus, et si vous parveniez à nous enlever nos cieux (tout en nous donnant d’une manière ou d’une autre de l’eau liquide à la surface), notre planète apparaîtrait toujours bleue.
Pour les cieux, la lumière bleue du soleil se disperse plus facilement, et nous parvient indirectement de l’endroit où la lumière du soleil frappe l’atmosphère en conséquence. Pour les océans, la lumière visible de plus grande longueur d’onde est absorbée plus facilement, donc plus ils sont profonds, plus la lumière restante apparaît d’un bleu foncé. Les atmosphères bleues sont peut-être courantes sur les planètes, puisque Uranus et Neptune en possèdent également, mais nous sommes les seuls à notre connaissance à avoir une surface bleue. Peut-être que lorsque nous trouverons un autre monde avec de l’eau liquide à sa surface, nous ne serons pas si seuls à plus d’un titre !
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