Sciences Physiques pour enseignant du premier degré


Pourquoi le ciel est bleu

La diffusion de la lumière
L'arc en ciel
Le bleu du ciel

Rappel: qu'est-ce que voir

Les récepteurs de lumière, pellicules photos, récepteurs CCD, oeil...) ne détectent de la lumière qu'à la condition qu'ils soient atteints par une onde (un rayon) lumineux. On ne voit pas la lumière "qui passe devant soi"! Voir un objet, c'est recevoir des rayons de lumière venant de cet objet.

La diffusion de la lumière

 Lorsqu'un milieu transparent, comme l'air contient de petites particules de poussières, de fumée ou de fines gouttelettes d'eau, un rayon de lumière est diffusé par chacune de ces particules. L'oeil d'un observateur qui ne reçoit pas directement ce rayon, reçoit une partie de la lumière diffusée par ces particules. Si le contraste est suffisant, c'est à dire s'il ne reçoit pas trop de lumière venant d'ailleurs, il verra l'ensemble de ces particules, qui sembleront former le faisceau de lumière, en réalité, l'ensemble des particules éclairées.
Diffusion de la lumière par des particules

L'arc en ciel
Il est possible que les particules touchées par les rayons incidents de lumière, les réfléchissent sans les diffuser dans des directions particulières dépendant de la couleur. C'est le cas des gouttelettes d'eau de la pluie qui réfléchissent la lumière incidente du Soleil en dispersant celle ci sur des angles légèrement différents selon la couleur.L'ensemble des points vus sous un même angle constituant un arc de cercle, l'oeil qui reçoit ces rayons réfléchis avec des angles différents voit alors des arcs colorés dans le ciel situés "à l'infini". Chaque arc (il y en a une infinité, puisqu'il y a une infinité de couleurs entre violet et rouge) correspond à un angle de visée particulier  rainbow 
.

Par deux réfractions et une réflexion sur le fond de la goutte d'eau, les rayons incident du Soleil sont dispersés suivant leur couleur ; le violet moins que le rouge.D = 43° pour le rouge, D = 36,4° pour le violet.  Un oeil reçoit donc le rayon violet d'une goutte et le rayon rouge d'une autre goutte "au dessus".
L'arc en ciel est rouge à l'extérieur, violet à l'intérieur 
dispersion de la lumière par une goutte  dispersion par trois gouttes de pluie  La formation d'un arc en ciel 

Le bleu du ciel

L'air entourant la Terre est constitué de 4/5 de diazote et de 1/5 de dioxygène, sans compter des traces d'autres gaz, de poussières diverses etc.
La lumière venant du Soleil est un peu diffusée par le dioxygène, principalement dans les couleurs bleues. Un oeil qui regarde le ciel reçoit cette lumière bleue diffusée ; le ciel est bleu. Un oeil qui regarde le Soleil reçoit une lumière blanche "appauvrie" en lumière bleue, cela d'autant plus que l'épaisseur de la couche d'air traversée est épaisse. La lumière du Soleil qui se lève ou se couche paraît orange à l'oeil.
La lumière diffusée par le ciel en plein jour est suffisamment intense pour que l'oeil ne puisse plus voir les étoiles, le contraste étant insuffisant. Sur la Lune, où il n'y a pas d'atmosphère, donc pas de diffusion de la lumière, on voit les étoiles "en plein jour".

Pourquoi le ciel est bleu  sunset
Dans la figure ci-dessus, le point A reçoit les rayons diffusés par les constituants de l'atmosphère ; son oeil synthétise une impression bleue. Le point B, lorsqu'il regarde le Soleil, reçoit une lumière "appauvrie en bleu" ; il synthétise une impression orange.