Pourquoi le ciel est bleu?

Anonim

Le cerveau est plus large que ce que le ciel écrit Emily Dickinson dans l'un de ses poèmes sans nom. Cherie pour sa brièveté sublime, le choix de ses mots n’est ni excessif, ni trop maigre pour ne pas être insatisfait. Les mots justes ont toujours la meilleure image. Considérez comment sa comparaison dessine immédiatement un ciel vaste, un ciel rayonnant de bleu.

Le ciel bleu est traversé par un disque de luminosité aveuglante qui émet une lumière jaune au début de la montée, blanche au sommet et un mélange visqueux de sang rouge et orange à la fin. Le disque se cache souvent derrière des nuages ​​achromatiques irrégulièrement tachés dans le ciel. Comme le bout d'un pinceau épais, le disque glisse et peint tout le ciel avec ses teintes changeantes. Sauf les nuages, qui conservent leur achromaticité.

Le ciel bleu clair (Crédit photo: Aleksander Niz / Shutterstock)

La plus évidente des questions se pose: pourquoi ces éléments de la nature sont-ils colorés de cette manière? Allons droit au but et demandons immédiatement quel mécanisme physique a conduit à cette convention? Le mécanisme célèbre est connu sous le nom de diffusion de Rayleigh.

Effet Tyndal et diffusion de Rayleigh

Un arc-en-ciel est formé par des gouttelettes de pluie qui se comportent comme des prismes. (Crédit photo: Universities Space Research Association)

La lumière blanche, comme l'a si somptueusement démontré Newton, peut être divisée en sept couleurs distinctes. La lumière blanche est une partie du spectre électromagnétique lui-même. Il représente la seule bande de longueurs d'onde que l'œil humain peut détecter. Ses constituants divisent ensuite cette bande de longueurs d'onde en sept bandes plus minces. Rayleigh a découvert que lorsque des particules en suspension dans l'air entrent en collision avec la lumière du soleil, elles les dispersent dans toutes les directions. Cependant, certaines de ces longueurs d'onde sont dispersées plus intensément que d'autres longueurs d'onde.

Il a trouvé une relation selon laquelle la quantité de longueur d'onde diffusée est inversement proportionnelle à la longueur d'onde portée à la quatrième puissance. Cela implique que les couleurs caractérisées par des longueurs d'onde plus petites sont diffusées plus efficacement. Bien que les longueurs d'onde mesurent des nanomètres, le fonctionnement exponentiel amplifie même une différence dérisoire - un calcul rapide indiquerait que la longueur d'onde associée au bleu est dispersée presque dix fois plus que la longueur d'onde associée au rouge.

La diffusion des longueurs d'onde par les particules de cette manière est assez courante. Cependant, il existe une idée fausse concernant les entités qui les dispersent. Une grande partie des gens présume et promulgue faussement que cette diffusion est effectuée par des particules de gaz ou de poussière. Même Rayleigh et Tyndall ont été séduits par cette croyance. Ceci n'est cependant pas vrai. L'interaction de la lumière et des particules peut soit provoquer la réflexion, la courbure, comme le fait un prisme, soit le disperser au hasard. Nous savons que le bleu du ciel est causé par la dispersion, notamment la diffusion de Rayleigh.

Cependant, la diffusion de Rayleigh peut se produire si et seulement si la taille des particules avec lesquelles la lumière entre en collision est comparable ou inférieure à sa longueur d'onde. Les particules de poussière ou de gaz, naturelles ou non, ont une taille supérieure. En fait, si les particules de poussière étaient les véritables conspirateurs, la couleur du ciel varierait continuellement avec le temps. C'est Einstein qui a découvert par la suite que les molécules étaient responsables d'une telle dispersion de la lumière. Ce sont leurs moments dipolaires induits par l'interaction avec un champ EM qui dispersent ces longueurs d'onde. Les scientifiques ont maintenant réduit l'espèce de molécules à l'azote et à l'oxygène.

Cependant, le ciel trahit son bleu et prend une couleur rouge lorsque le soleil se couche. En effet, la lumière du soleil est nécessaire pour parcourir une plus longue distance quand elle est proche de l’horizon que quand elle est directement au-dessus de nous. Cela pousse la lumière à traverser plus d'air, ce qui la fait entrer en collision avec de plus en plus de particules, de sorte que tout le bleu est dispersé; il ne reste que les longueurs d'ondes proches du rouge. Par conséquent, le rouge, l’orange et le jaune passent directement à notre œil.

Les couchers de soleil au-dessus des mers sont souvent orangés à cause des particules de sel en suspension dans l'air au-dessus d'eux. Crédits: Diana Savich / Shutterstock

Quant à la pâleur des nuages, ils persistent à être recouverts de nuances de gris car leurs particules constitutives, plus grosses que la longueur d'onde de la lumière, subissent un type de diffusion différent. Ce phénomène diffuse également toutes les longueurs d'onde de la lumière, reflétant des nuances allant du blanc coton au gris introspectif. On assiste également à la dispersion sur Mars, où le ciel est souvent entièrement rouge. Cela est dû à la surabondance de fer dans son air fortement dispersée dans les tempêtes de poussière.

Cependant, on aurait tort de généraliser à partir des images et de supposer que le ciel de Mars est constamment rouge. De temps en temps, en l’absence d’orage, le ciel martien se colore d’un certain bleu, un bleu plus foncé que le bleu de notre ciel, car son atmosphère est plus fine que la nôtre.

Pourquoi pas violet?

Les cônes sont regroupés de manière à ce que les longueurs d’onde se chevauchent et se combinent les unes aux autres de manière asymétrique pour produire la pléthore de couleurs différentes que nous trouvons autour de nous.

Le système visuel ne ressemble pas à un trieur de pièces, dans lequel chaque longueur d'onde se sépare et est collectée par un cône. Les cônes sont regroupés de manière à ce que les longueurs d’onde se chevauchent et se combinent les unes aux autres de manière asymétrique pour produire une multitude de couleurs différentes que nous voyons autour de nous. En fait, les trois couleurs primaires sont tout ce dont une télévision a besoin pour simuler les nuances et les perceptions de profondeur exquises que nous observons dans la réalité!

Lorsque nous tournons notre regard vers le ciel, le cône rouge est stimulé par les longueurs d'onde rouge, jaune et orange, le cône vert répond à certaines longueurs d'onde jaunes et fortement dispersées vert-bleu et, finalement, le cône bleu se nourrit des particules les plus dispersées. longueurs d'onde de bleu. Cependant, comme la stimulation n’est pas absolue mais disproportionnée, indigo et violet sondent simultanément le cône bleu et le cône rouge. L’effet net est que ces couleurs “disparaissent”, rendant le ciel bleu pâle avec une nuance de rouge.

Ciel rouge

Pour l’essentiel, nos yeux ne sont pas très sensibles au violet et à l’indigo et font plutôt une généralisation pour protéger les calculs méticuleux et consommateurs d’énergie. Étant si habitué à l'environnement, le phénomène s'est nourri et enraciné en nous. Cette généralisation visant à percevoir le ciel comme une teinte pure pourrait ne pas être une simple coïncidence; la capacité de séparer les couleurs naturelles est probablement un avantage évolutif.