La composition de l’atmosphère

L’air qui forme notre atmosphère et qui permet à la vie de s’épanouir, est composé principalement de molécules d’azote (78%) et d’oxygène (21%). Il contient également du gaz carbonique (0.01%) et de la vapeur d’eau en quantité variable.

En plus des nuages de pluie ou de neige, l’atmosphère véhicule un très grand nombre de particules solides ou liquides. Ces aérosols ont des origines très diverses : poussières arrachées aux sols et aux roches, cendres volcaniques et industrielles, pollens, microcristaux de sels issus des océans…..

La composition en eau, en particules et en gaz polluants dépend évidemment beaucoup des conditions météorologiques.

  La nature et la composition de la lumière

La lumière est en fait constituée d’ondes électromagnétiques de même nature que les ondes radio, mais de longueurs d’onde beaucoup plus courtes. Elles sont comprises entre 0.4 et 0.8 microns (1 micron = 0.001 mm) pour la lumière " visible ", celle du Soleil par exemple.

La couleur est la sensation qui résulte de l’interaction de la lumière avec les cellules de notre œil. A chaque longueur d’onde est associée une sensation physiologique différente, que l’on qualifie de " couleur " : le violet pour les longueurs d’onde situées vers 0.4 microns, le vert vers 0.5 microns, le jaune autour de 0.55 microns, le rouge au-delà 0.6 microns.

Notre œil est sensible à la lumière visible, celle du Soleil ou d’une lampe, que nous qualifions en général de " lumière blanche ". Celle-ci est en fait composée de plusieurs couleurs fondamentales qui en impressionnant toutes ensembles les cellules de notre rétine donnent cette impression de lumière blanche. Si une ou plusieurs couleurs fondamentales manquent, l’œil perçoit alors une couleur particulière et non plus le blanc.

Une expérience de physique classique met en évidence cette décomposition de la lumière par un prisme. C’est le même phénomène qui est responsable des différentes couleurs de l’arc en ciel, ou des couleurs renvoyées par les gouttes de rosée accrochées aux brins d’herbes ou aux fils de la Vierge.

Dans le vide de l’espace, la lumière issue par exemple d’une lampe torche ou d’un laser se propage en ligne droite. Jean perçoit la lumière de la lampe parce que son œil se trouve sur le trajet du faisceau lumineux. Pierre lui ne voit rien car il est en dehors du trajet de la lumière. Si Pierre est un astronaute, le fond du ciel lui apparaît noir car aucune lumière ne lui parvient, hormis celle des points lumineux des étoiles.

 

Diffusion de la lumière

Dans une atmosphère calme, transparente, de température constante la lumière se propage aussi en ligne droite. Cependant la lumière rencontre sur son chemin à travers l’atmosphère de nombreuses particules microscopiques qui vont se comporter comme autant de sources lumineuses et qui vont renvoyer la lumière dans toutes les directions et en particulier vers notre œil. On dit qu’il y a diffusion de la lumière.

 

Alors que dans le vide Pierre ne percevait aucune lumière, dans l’atmosphère il voit maintenant la lumière diffusée par les molécules et les particules de l’air. C’est ce phénomène qui explique que la nuit, on puisse voir le faisceau d’une lampe torche puissante, ou les faisceaux lasers d’une discothèque, même si ces faisceaux ne sont pas dirigés vers nous.

Cependant il existe plusieurs types de diffusion car les propriétés de la lumière diffusée dépendent essentiellement de la taille des particules diffusantes. De nombreux phénomènes observés dans la nature ou dans la vie de tous les jours s’expliquent en faisant intervenir la diffusion.

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Les molécules de l’air sont les objets diffusants les plus petits de l’atmosphère. Elles sont beaucoup plus petites que les longueurs d’onde qui caractérisent la lumière (dimension de l’ordre de 0.001 micron, à comparer aux longueurs d’onde des couleurs visibles : violet : 0,4 microns ; rouge :0,8 microns). La diffusion correspondante est appelée diffusion Rayleigh. L’intensité de la lumière diffusée est d’autant plus grande que la longueur d’onde de la lumière est plus courte : les radiations bleues sont diffusées beaucoup plus efficacement que les radiations rouges ou même que les vertes.

[Avec quelques gouttes de lait, vous pourrez facilement réaliser l’expérience décrite ci-dessous et qui illustre parfaitement ce phénomène].

La lumière diffusée par l’atmosphère contient donc beaucoup plus de radiations bleues que de radiations rouges : l’œil perçoit alors une couleur bleue intense caractéristique d’un ciel pur.

Cette explication demande à être complétée. En effet la lumière violette, dont les longueurs d’onde sont encore plus courtes que celles de la lumière bleue est diffusée encore plus efficacement que la lumière bleue. On devrait donc s’attendre à voir un ciel violet. En fait, la sensibilité de l’œil est infiniment plus faible dans le violet que dans le bleu. C’est donc cette dernière couleur qui est vue par l’œil.

La couleur du Soleil.

Si la lumière diffusée est riche en radiations bleues, c’est bien sûr aux dépens de la lumière transmise. Celle-ci contient donc beaucoup plus de lumière orange ou rouge que de lumière bleue, et ce déficit en lumière bleue est d’autant plus important que le trajet dans l’atmosphère est plus grand. Le Soleil apparaît très blanc aux astronautes ; mais vu du sol, il a une couleur jaune quand il est au zénith. Quand il baisse sur l’horizon, il devient même de plus en plus rouge car sa lumière traverse alors une épaisseur d’atmosphère de plus en plus grande.

La couleur des nuages

La couleur bleue du ciel est donc due à la diffusion par les molécules de l’air dont les dimensions sont beaucoup plus petites que la longueur d’onde des radiations lumineuses auxquelles notre œil est sensible. Si les particules diffusantes ont des dimensions nettement supérieures, on observe encore un phénomène de diffusion, dont les propriétés sont différentes : cette fois, toutes les couleurs sont diffusées de la même façon, les particules renvoient donc dans toutes les directions, et en particulier vers notre œil, une lumière identique à la lumière incidente.

Les nuages étant composés de gouttelettes d’eau ou de cristaux de glace de dimensions microscopiques (quelques microns) mais cependant nettement supérieures aux longueurs d’onde de la lumière, ils vont diffuser également toutes les couleurs de la lumière du Soleil et vont donc apparaître blancs. Ceci est vrai pour tous les nuages vus d’avion. Au sol, les nuages de taille moyenne sont également blancs ; par contre, les très gros nuages vus par dessous vont apparaître gris ou même presque noirs car ils sont tellement épais que pratiquement plus aucune lumière n’arrive à les traverser.

L’opacité du brouillard est due au même phénomène : la diffusion est tellement efficace que plus aucun rayon lumineux provenant d’un objet n’arrive directement à l’œil ; les images s’estompent et disparaissent même complètement quand le brouillard est très épais ; on ne voit plus qu’une lumière diffuse blanche.

Nous connaissons maintenant suffisamment de choses pour expliquer les couleurs souvent extraordinaires des levers et couchers de Soleil. Quand le Soleil est bas sur l’horizon, sa lumière est riche en couleurs oranges et rouges puisque au cours de la traversée d’une grande épaisseur d’air, elle a perdu par diffusion la plus grande partie des couleurs bleues et vertes (figure 4). Les nuages qui diffusent cette lumière dans toutes les directions vont donc renvoyer vers notre œil toute une palette de teintes rouge-orangé caractéristiques.

Alors que la glace est transparente, il peut apparaître étonnant que la neige ne le soit pas et qu’elle apparaisse au propre comme au figuré comme l’exemple même de la blancheur. Là encore l’explication vient du phénomène de diffusion. La neige est en effet composée d’une multitude de microcristaux de glace dont les facettes renvoient la lumière blanche du Soleil dans toutes les directions. Comme dans le cas du brouillard, plus aucun rayon lumineux ne peut traverser la neige sans être diffusé par ces cristaux. Puisque chaque micro-cristal de glace pris individuellement est transparent , la lumière n’est pas atténuée par son trajet dans la neige : la lumière qui est transmise ou diffusée par une neige éclairée par le Soleil est d’une blancheur intense. Par contre, au lever ou au coucher, le Soleil bas sur l’horizon éclaire la neige de teintes rouge-orangé. La neige, puisqu’elle diffuse intégralement la lumière qu’elle reçoit, prend alors des teintes remarquables bien connues des alpinistes.