Thème : Sciences                                                                                                                                               Mardi 20 janvier 2015

LES COULEURS DU CIEL – Bleu, Rouge, Vert et Noir    

par Claude Darras, vice président du CDI

  Les couleurs du ciel furent longtemps mystérieuses et même aujourd’hui certaines ne sont pas faciles à expliquer à un public non scientifique.

  Une première question se pose: qu’est-ce que le ciel ? Pour toutes les civilisations antiques la voûte céleste, d’essence divine, était une sorte de plafond bleu. Pour les chinois, les grecs puis les arabes elle comportait neuf couches. Ainsi selon la tradition, Saint Paul aurait été ravi au troisième ciel. On dit encore que le bonheur est au septième ciel. Cette théorie de couches superposées durera jusqu’à Copernic et Galilée. Ce qui valut à ce dernier les problèmes que l’on sait avec l’Eglise Catholique car ses découvertes astronomiques avaient pour conclusion, entre autres, que le ciel, domaine des élus, n’existait pas en tant qu’espace déterminé et que l’univers était infini.

   Jusqu’à la fin du XIX° siècle la cause de la couleur bleue du ciel restait inconnue. On pensait que des poussières ou des gouttelettes d’eau provoquaient cette teinte. Kepler estimait que c’était dans la nature même de l’air qu’il fallait chercher l’explication, mais si l’air était naturellement bleu, la nuit la lune et les étoiles devraient paraître bleues ! Pour Maxwel, la cause était la nature atomique de l’air dont les molécules diffusaient la lumière, hypothèse qui fut confirmée vingt-six ans plus tard par lord Rayleigh. Les ondes lumineuses viennent frapper, sans y pénétrer, les particules atomiques de l’air. Les plus courtes, bleues, sont les plus diffusées, seize fois plus que les rouges, donc le ciel parait bleu. La lumière bleue n’est donc pas celle de l’air, mais celle de la lumière solaire diffusée par l’air transparent. La structure atomique de l’air explique aussi cette transparence: les molécules d’air sont très petites (deux nanomètres) et tellement éloignées l’une de l’autre, 300nm près du sol, que la lumière traverse un espace presque vide.

   Un autre aspect du ciel parait merveilleux, les couchers de soleil. Ce sont, cette fois, des particules en suspension dans l’air qui les provoquent, des poussières et l’humidité. Les rayons solaires traversent des zones d’air basses en se glissant sous les nuages. Les éruptions volcaniques dégagent des poussières qui peuvent rester longtemps dans l’atmosphère et provoquer de superbes couchers de soleil pendant des années, comme celles du volcan Agung à Bali en 1963. Ces phénomènes permettent de superbes photographies où dominent le rouge, l’orange et le jaune.

   Pour certains le rayon vert est un mythe, il existe pourtant réellement. Curieusement les savants ne se sont intéressés au rayon vert rayon vert qu’après le roman de Jules Verne, paru en 1882. Celui-ci en proposait trois causes : la  couleur de la mer, l’image rémanente de la rétine et la dispersion des rayons du  soleil par les basses couches de l’atmosphère. L’hypothèse maritime a été abandonnée car on a observé des rayons verts en rase campagne.  Si la réaction oculaire renforce la vision du vert la cause principale est la dispersion de la lumière solaire par les basses couches de l’atmosphère qui, pendant un court instant, ne laisse passer que les grandes longueurs d’onde. L’œil voit surtout le  vert, couleur pour laquelle il est très sensible. La première photo du rayon vert n’a été obtenue qu’en 1954.

  Les aurores boréales, ou australes dans l’antarctique, se produisent tard le soir en présentant une nuée verte avec un bord blanc d’où partent des jets de lumière. La cause fut longtemps inconnue. A la fin de XIX° siècle on avait noté qu’elles perturbaient les liaisons télégraphiques.  On a trouvé la solution quand on a découvert que le soleil nous adressait, en plus de la lumière, un flot de particules et que la Terre se comportait comme un gigantesque aimant. La magnétosphère bloque  une grande partie de ces particules, certaines arrivent à passer mais sont retenues au dessus des pôles par le champ magnétique de la Terre. Il ne faut pas confondre les aurores boréales avec les nuées lumineuses dites « noctilescentes » qui apparaissent à 80 km d’altitude entre 50° et 70° de latitudes nord ou sud. Elles sont fréquentes en Finlande par exemple.

  Le ciel nous présente  un spectacle quelque fois extraordinaire, les éclairs d’orages. Elles ne durent qu’une demi-seconde, précédant le coup de tonnerre, et sont bien visibles la nuit. Contrairement à ce que l’on croit, l’éclair ne tombe pas sur le sol mais s’élève vers les nuages. Il se produit quand il y a une grande différence de potentiel électrique entre le nuage de charge négative et la terre de charge positive. La décharge électrique peut atteindre une intensité de plus de cent mille ampères. Heureusement que Benjamin Franklin ne tenait pas à la main le fil du cerf-volant, contrairement à ce que l’on voit sur les images habituelles, car il aurait été foudroyé.

  La nuit nous permet de voir de nombreux phénomènes lumineux, à commencer par les étoiles. Les citadins ne savent pas ce qu’est un ciel étoilé tant l’atmosphère est polluée par des poussières diverses et surtout par l’éclairage urbain. Il faut qu’ils viennent à la campagne pour découvrir la Voie Lactée. Celle-ci est constituée de très nombreuses étoiles. William Herschel, avec le télescope qu’il avait construit lui-même, avait estimé que la Voie lactée comportait pas moins de dix-huit millions d’étoiles. Aujourd’hui on en compte cent milliards et neuf milliards de planètes habitables. Evidemment les étoiles et les comètes ne sont pas visibles dans la journée, à l’exception de Vénus qui, une ou deux fois par siècle, passe  dans la journée devant le soleil ce que les astronomes ne manquent pas de photographier.

 Au cours de la nuit peut apparaître la lumière zodiacale, connue depuis longtemps, dont Cassini avait proposé une explication en 1672. En France on peut la voir à l’ouest en Mars et à l’est en Octobre, loin des cités urbaines. Autre spectacle, les halos lunaires, quand les nuages à 4000 mètres d’altitude contiennent de cristaux de glace. Il existe aussi des halos solaires.

 Phénomènes bien visibles la nuit, les comètes. Depuis les temps les plus anciens elles sont à l’origine de légendes et l’on pensait qu’elles annonçaient de mauvaises nouvelles. La plus célèbre est la comète de Halley qui revient tous les 75 ans. Apparue en 1986, elle reviendra en 2061.  Plus rare, la comète Hole-Bopp dont le cycle est de 4500 ans et que nous avons pu admirer en 1997.

 Pour finir parlons des étoiles filantes que, jusqu’au début du XX° siècle, on appelait « étoiles tombantes ». Ce ne sont pas des étoiles mais des corpuscules qui, voyageant à travers l’espace, et passant près de la Terre, sont attirées par elle et s’enflamment en traversant l’atmosphère. Notre sol reçoit constamment ces météorites, environ 10.000 tonnes par an. Quelques fois  ce sont de gros astéroïdes qui tombent sur la Terre provoquant des catastrophes comme à Tcheliabinsk (Russie) le 15 février 2013.

   Puisque nous parlons de la nuit, il faut évoquer ce problème  qui nous semble évident mais qui a tant embarrassé nombre de savants au XIX° siècle : pourquoi la nuit le ciel est noir? Ils découvraient que les étoiles étaient innombrables, donc leur rayonnement devrait apporter  plus de clarté dans notre ciel.  Ils oubliaient qu’elles étaient très loin de nous et que leur lumière met beaucoup de temps à nous parvenir. Elle diminue avec le carré de la distance. Si la lumière du soleil ne met que 8 minutes à nous parvenir, celle de l’étoile  la plus proche, Proxima Centuri, met 4 années. Quant à la lumière de la plus grosse étoile de la Voie Lactée, l’étoile W26, il lui faut 16.000 années. C’est pourquoi le flux lumineux qui nous arrive est seulement suffisant pour que les étoiles soient visibles à nos yeux.

   Pour terminer cette conférence nous évoquerons les bienfaits de la lumière céleste. Si celle de longueur d’onde inférieure à 450 nm est toxique, celle du ciel, un bleu entre 460 et 480 nm, est très bienfaisante. Ce rayonnement permet à notre peau de synthétiser la vitamine D qui règle l’absorption du calcium favorisant la croissance des enfants et luttant contre l’ostéoporose.  Pénétrant dans nos yeux elle déclenche la production de la dopamine et de la mélatonine, précieuses hormones qui agissent sur notre corps et notre mental. Notre peau et nos yeux ont absolument besoin de la lumière solaire or nous en manquons car nous passons 80% de notre temps