Pourquoi le ciel peut devenir rose ou rouge le soir ou lors d’ouragans ?

La question de la couleur du ciel vu de la Terre paraît être une évidence : bleu.  Et pourtant quand il est observé depuis l’espace par exemple depuis la lune, il apparaît noir. La coloration bleue du ciel est due à la présence d’une atmosphère.

Cependant pendant le coucher du soleil ou d’événements météorologiques comme des ouragans ou des tempêtes de sable, le ciel peut changer de couleur. Lors de l’ouragan Michael en Octobre 2018 ou le typhon japonais Hagibis d’Octobre 2019, celui-ci a pris une teinte violette suite à la projection de particules.

Le rayonnement solaire et l’atmosphère

La lumière est une onde spécifique (et un corpuscule comme elle transporte de l’énergie). Le soleil émet un rayonnement comprenant des rayons gamma, X, UV, de la lumière du domaine du visible, de l’infrarouge et des grandes ondes. Le domaine du visible est entre 400 nm et 700 nm de longueur d’onde.

L’atmosphère terrestre est une couche de gaz dont la température et la composition varient en fonction de l’altitude. Cette atmosphère se compose de molécules invisibles à l’œil nu : dioxygène O₂, diazote N₂, dioxyde de carbone CO₂, vapeur d’eau H₂O… L’atmosphère est composée d’azote (78%), oxygène (21%), argon et d’autres atomes… Ces molécules sont plus petites que les longueurs d’onde de la lumière du soleil. Elles provoquent la diffusion des rayons du soleil.

Pourquoi le ciel est bleu ?

Le ciel apparaît bleu à cause d’un phénomène de diffusion de la lumière solaire. La diffusion de Rayleigh a lieu lorsque la taille des particules ou des molécules est très inférieure à la longueur d’onde du rayonnement. En 1871, Lord Rayleigh à 29 ans démontre que l’intensité diffusée est alors inversement proportionnelle à la puissance 4 de la longueur d’onde du rayonnement incident. La diffusion de Rayleigh est par conséquent un phénomène sélectif qui se produit surtout pour les longueurs d’onde les plus courtes du spectre (violet, bleu). Ces longueurs d’onde les plus courtes (bleu, violet) de la lumière sont davantage diffusées que les longueurs d’onde plus grandes (rouge, orange). La dispersion de Rayleigh n’est valide que pour la dispersion de la lumière par les molécules jusqu’à environ un dixième de la longueur d’onde de la lumière incidence. Au-delà de ce rapport, nous avons affaire à la théorie de Mie.. La diffusion de Mie désigne la diffusion par des particules dont le rayon oscille entre 0.1 et 10 fois la longueur d’onde.

Quand le soleil brille, la plupart des couleurs de la lumière (rouge, orange, jaune, vert) arrivent à la surface mais les lumières de courte longueur d’onde (bleu, violet) sont diffusées dans l’atmosphère dans toutes les directions. Et ces ondes diffusées rebondissent jusqu’à arriver à nos yeux (bleu et violet). La ciel devrait apparaître violet parce que le violet a une longueur d’onde plus courte que le bleu, il est donc plus diffusé. Cependant nos yeux sont plus sensibles au bleu qu’au violet, c’est pourquoi le ciel apparaît bleu.

Le coucher de soleil

Quand le soleil se couche, les rayons du soleil parcourent une plus grande distance et traversent une couche d’atmosphère plus épaisse. La lumière du Soleil rase la Terre à l’horizon. Les courtes longueurs d’ondes (bleu, violet, vert) sont dispersées en amont hors de notre champ de vision et ne laissant que les plus longues longueurs d’onde (rouge, orange, jaune). On distingue 3 phases de crépuscule :

• le crépuscule civil quand le soleil est  entre 0° et 6° sous l’horizon. Les astres les plus brillants apparaissent. L’évolution des couleurs du ciel est rapide passant de l’orange au rouge au rose
• le crépuscule nautique (appelé heure bleue) quand le soleil est entre 6° et 12° sous l’horizon. Le ciel devient presque noir mais il subsiste une lueur bleutée là où le soleil s’est couché
• le crépuscule astronomique, le ciel est complètement noir

La ciel rose lors d’ouragans ou jaune lors de tempêtes de sable

Les cieux brumeux de jour, au lieu d’être bleu vif, apparaissent grisâtres ou même blancs. De même, les oranges et les rouges vibrants des couchers de soleil « propres » laissent place à des jaunes et des roses pâles lorsque la poussière et la brume remplissent l’air.

Dans le cas des cyclones, des particules sont projetées dans l’atmosphère et empêchent la diffusion normale de la lumière. Le ciel pendant le coucher de soleil peut virer au rose/violet. Plusieurs conditions sont requises : l’ir est super saturé en humidité (au dessus du point de rosée), le soleil se couche et le cyclone ramène des nuages en basse altitude. La lumière bleue est dispersée vers le bas à travers les nuages et produit de la réverbération, mélangée à la lumière rouge du coucher de soleil qui l’éclaire. Cela donne une teinte lilas.

Dans le cas d’une tempête de sable, le ciel peut prendre une teinte jaunâtre. Dans cette photo ci-dessous, la tempête Ophélia avait ramené des particules de sable du Sahara en suspension dans l’atmosphère.

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Sources:

Bohren, C. F., & Fraser, A. B. (1985). Colors of the sky. The Physics Teacher, 23(5), 267–272. doi:10.1119/1.2341808

Hulburt, E. O. (1953). Explanation of the Brightness and Color of the Sky, Particularly the Twilight Sky. Journal of the Optical Society of America, 43(2), 113. doi:10.1364/josa.43.000113