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Toutes les ­couleurs du ciel

Laetitia MESPOUILLE • info@curiokids.net

©den-belitsky – stock.adobe.com, Ben Mack /Pexels (arc-en-ciel), ©Christian Pinillo – stock.adobe.com (éclairs Catatumbo)©mumemories – stock.adobe.com, stock.adobe.com/vecteur (arc-en-ciel blanc) –     Peter ELLIOTT

Bleu, rouge, rose, jaune, orange… en voilà des couleurs qui teintent le ciel. Chaque jour, Dame Nature nous émerveille avec des spectacles hauts en couleur et d’intensités variées faits de crépuscules enflammés, d’aubes aux couleurs pastel, d’arcs-en-ciel tantôt timides tantôt expressifs, d’aurores boréales qui dansent la nuit, de parhélies ou encore d’éclairs Catatumbo. Ces phénomènes naturels très impressionnants reposent en vérité sur des principes physiques bien compris des scientifiques. Plus précisément, sur la manière dont la lumière interagit avec notre atmosphère. Dans ce dossier, on va décomposer la lumière et comprendre sa nature à travers différents phénomènes. Les connais-tu tous ? 

Qu’est-ce que la lumière ?

En voilà une bonne question ! Ce sujet a occupé les plus grands physiciens durant plusieurs siècles, dont Newton, Huygens, Pauli, Einstein. Comprendre la  nature et les propriétés de la lumière est essentiel pour expliquer les variations  de couleurs du ciel, mais aussi les arcs-en-ciel et autres manifestations naturelles.

Chaque jour, le soleil nous inonde de lumière. Il s’agit d’une source naturelle provenant d’une onde électromagnétique. Quel mot compliqué ! Plus simplement, la lumière est une perturbation qui se déplace en faisant des ondulations. Un peu comme un serpent sur le sable. Cette «onde» a la capacité de se déplacer dans l’air, mais aussi dans le vide. Et c’est tant mieux. Car s’ils ne pouvaient traverser le vide spatial, les rayons du soleil ne parviendraient pas jusqu’à nous pour nous ­éclairer et nous réchauffer.

 

La lumière du soleil, appelée aussi spectre lumineux, est ­l’ensemble de toutes les ondes émises par notre étoile. Parmi elles, nous retrouvons par exemple les rayons X, les ultraviolets, les infrarouges ou encore, la lumière «visible». Celle-ci correspond aux ondes que notre œil peut détecter. Autrement dit, toutes les couleurs que tu observes dans la nature. Chaque couleur possède une ondulation différente. La lumière bleue possède une ondulation plus ­serrée, tandis que la lumière rouge est plus ­étendue. Les scientifiques ont mesuré la distance entre 2 répétitions pour chaque type d’onde. C’est pour cela qu’on parle de longueur d’onde et elle se mesure en nanomètre (nm), qui est 1 million de fois plus petit qu’un millimètre. Le domaine visible est très étroit et s’étend de 380 à 700 nm environ.

Le mélange de toutes ces ondes de couleur donne la lumière blanche… Qu’est-ce qui est blanc dans le ciel ? Les nuages bien sûr ! Lis la suite pour en savoir plus.

 

Pourquoi le ciel est-il bleu ou rouge ?

Par beau temps, nous avons l’habitude ­d’observer un ciel magnifiquement bleu en journée. C’est tellement habituel qu’on oublie de se ­demander pourquoi il est bleu. Quand la lumière entre en contact avec notre atmosphère, elle interagit avec les molécules gazeuses et les particules qui la composent (poussières, gouttelettes d’eau). Les ondes, qui appartiennent au domaine visible, inter­agissent ainsi avec ces éléments de plus petites dimensions que leur propre longueur d’onde. Et oui, les molécules d’air (l’azote et l’oxygène) sont 1 000 fois plus petites. L’onde correspondant à la couleur bleue possède la plus petite longueur d’onde du spectre visible: 400 nm. C’est celle-là qui va «ricocher» plus fort que toutes les autres couleurs. Un peu comme dans un flipper. On parle de diffusion de la lumière. Cette lumière est donc dispersée dans le ciel préférentiellement. Voilà pourquoi le ciel est bleu.

Diffusion de la lumière par l’atmosphère terrestre. Les molécules de l’air diffusent la lumière du soleil dans toutes les directions. En
regardant hors de la direction du soleil, on observe donc de la lumière diffusée par le ciel, qui apparait bleu.

Observation directe du soleil. En passant dans l’atmosphère, la lumière bleue est diffusée dans toutes les directions. Le faisceau provenant du
soleil, initialement blanc, contient de moins en moins de bleu au fur et à mesure qu’il traverse l’air. Ainsi le soleil apparait plutôt jauni en journée. Dans le cas d’un coucher de soleil, les rayons du soleil sont rasants et l’épaisseur d’air qu’ils traversent est gigantesque. Quasiment plus de bleu n’atteint l’œil: le soleil semble rouge. (Source: https://fr.science-questions.org/questions_de_science/152/Pourquoi_le_ciel_est-il_bleu_/)

Et que se passe-t-il quand il est rouge ? Quand le soleil se lève ou se couche, la couche d’air à traverser par les rayons lumineux est beaucoup plus importante qu’à midi. Si bien qu’avant d’arriver à l’œil de l’observateur, les couleurs comme le bleu, le vert et le jaune ont déjà été diffusées. Il ne reste que les couleurs orange et rouge, de longueurs d’onde plus importantes, qui arrivent à tes yeux. C’est pour cela que le soir ou le matin, la lumière reçue est orange-rouge.

 

   BIG DATA

300 000 km/s

c’est la vitesse de la lumière dans le vide

160 km

c’est l’altitude à laquelle ont lieu les aurores boréales vertes.

250

c’est le nombre d’éclairs au kilomètre carré qui percutent le sol vénézuélien aux abords du lac Maracaibo 

L’arc-en-ciel, un pont multicolore entre les hommes et les cieux

Pour qu’un arc-en-ciel apparaisse, il faut de la pluie et un soleil bas en même temps. Se forme alors un spectaculaire arc multicolore. Chez nos ancêtres, suivant la culture religieuse, l’arc-en-ciel était associé à certains dieux et déesses. Grâce aux travaux de Descartes, éminent scientifique du 17e siècle, les mystères de la formation de l’arc-en-ciel ont été percés. Et il n’y a rien de divin là-dedans. Il s’agit plutôt d’un phénomène optique qui apparaît quand la lumière blanche du soleil interagit avec les gouttes de pluie. Comment ça marche ?

 

Quand il pleut, il y a de l’eau en suspension dans l’air, que la lumière blanche du soleil rencontre sur son chemin. Au lieu de se comporter comme des miroirs, les gouttes d’eau agissent comme des petits prismes. Autrement dit, comme des petits blocs de verre, dont 2 faces sont en forme de triangle. Le prisme décompose la lumière. Tu sais que la lumière blanche est un mélange de toutes les couleurs du spectre visible. Quand les rayons lumineux interagissent avec les gouttelettes d’eau suivant un angle particulier, la lumière blanche se décompose. C’est ce qu’on appelle la réfraction de la lumière. Une autre manière de l’expliquer, c’est de dire que chaque couleur prend une direction différente lorsqu’elle traverse les gouttes. Le violet aura une trajectoire un peu différente de la couleur rouge. Chaque goutte d’eau située en face de toi réfracte la lumière. Si bien qu’il se forme un arc parfait, que tu ne pourras voir que si le soleil est dans ton dos et que les nuages de pluie sont devant toi. Dès lors, tu es au milieu. Tu comprends ainsi que tu ne peux jamais arriver au pied de l’arc-en-ciel. Si tu avances, il recule. 

 

Les nuages font grise mine

Blancs ou gris, parfois iridescents, les nuages aussi changent de couleur. Les gros nuages blancs en forme de barbe à papa annoncent une journée lumineuse et agréable tandis que les nuages gris et lourds annoncent souvent les pluies. Pourquoi ont-ils des couleurs différentes ? Les nuages sont blancs pour une raison simple: ils se composent d’un amas de petites gouttes d’eau condensées, ainsi que des cristaux de glace microscopiques. Si tu traverses une couche nuageuse en avion, tu constates que le hublot est humide. En raison de leur taille (20 µm environ), la lumière du soleil est totalement diffusée dans toutes les directions lorsqu’elle traverse les gouttes. Comme tu sais que la lumière visible est «blanche», tu observes des nuages de couleur blanc nacré.

Les choses se gâtent ensuite avec les nuages gris. Quand les gouttes d’eau s’accumulent en plus grande quantité, le nuage grossit pour atteindre une hauteur comprise entre 7 et 15 km. Ces nuages d’orage sont des cumulonimbus. La lumière du soleil ne pénètre plus suffisamment le nuage et au lieu d’être réfléchie, elle est alors absorbée. Vue du sol, la partie inférieure du nuage semble plus sombre, car elle reçoit moins bien la lumière du soleil.

  

   Le truc de ouf !

Un ballet de lumières  féériques

Si tu as vu Frère des ours ou La Reine des Neiges, tu as pu voir un ballet de lueurs féériques dans le ciel, comme des rideaux de couleur verte ondulant dans la nuit. Ces aurores boréales se produisent au niveau du cercle polaire arctique (voir photo de titre). On les observe donc dans les pays scandinaves (Norvège, Grœnland, Laponie, Islande), dans le Nord du Canada ou en Alaska. Ce phénomène naturel incroyable a mis du temps à être élucidé. On sait aujourd’hui qu’on le doit au soleil. Tu as bien lu. Bien que très éloignées de nous, les éruptions solaires projettent d’énormes quantités de particules qui voyagent jusqu’à notre Terre grâce aux vents solaires. 

Ces particules sont attirées vers le Pôle Nord magnétique. Lorsqu’elles pénètrent notre atmosphère, chargées d’énergie, elles sont accélérées par le champ magnétique terrestre et rencontrent les molécules de gaz tels que l’oxygène, l’azote ou l’ozone. De ces collisions se libèrent des quantités d’énergie incroyables sous forme de lumière. Il est possible de voir des aurores boréales vertes, rouges, violettes, bleues. Ces couleurs lumineuses dépendent du type d’atome qui entre en collision avec les particules solaires. Les aurores boréales vertes se produisent à 160 km au-dessus de notre tête. Le même phénomène peut être vu près du Pôle Sud. On parle alors d’aurore australe. 

Pour avoir la chance d’admirer ce phénomène lumineux, il faut te rendre dans les régions polaires, durant les nuits polaires et espérer un ciel dégagé. À ton appareil photo ! 

 

Les éclairs Catatumbo

Les éclairs sont des phénomènes lumineux se produisant durant les orages. Les météorologistes peuvent prédire leur apparition quelques heures, voire quelques jours avant qu’ils arrivent. Mais dans certaines régions du monde, la foudre est pratiquement constante : elle tombe tous les jours.

C’est le cas des éclairs de Catatumbo. Ce phénomène orageux a lieu dans une région particulière du Venezuela. Là où le fleuve Catatumbo rejoint le lac Maracaibo. Le soir, l’orage se déchaîne durant plusieurs heures avec en moyenne 28 impacts par minute. Autant dire que la nuit, il fait aussi clair qu’en plein jour.

Mais pourquoi ce phénomène se produit-il ? Un orage se forme quand de l’air chaud et humide s’élève et se refroidit. Il forme ainsi un cumulonimbus. Un énorme nuage gris. Dans ce nuage, il y a des gouttes d’eau condensées qui rencontrent plus haut des cristaux de glaces. Cette rencontre crée des charges électrostatiques. Le sommet du nuage est riche en charges positives et la base est riche en charges négatives. Comme la nature aime les équilibres, les nuages se « déchargent » en formant des éclairs. Dans cette région du monde, l’humidité de l’air est provoquée chaque jour par l’évaporation de l’eau du Lac. Le soir, des vents forts s’engouffrent pour soulever cette masse d’air chaude et humide. D’énormes nuages d’orages se forment quotidiennement au-dessus du lac. Leur puissance est telle qu’un éclair pourrait allumer 100 millions d’ampoules. De même, dix minutes d’éclairs pourraient illuminer toute l’Amérique du Sud. Quelle puissante source d’énergie ! 

Bien que magnifiques, les éclairs frappent parfois mortellement les habitants du Lac. En effet, ces pêcheurs sortent préférentiellement le soir pour pêcher, car le poisson mord mieux à l’hameçon quand l’orage gronde. Pour protéger les habitants de la foudre, des scientifiques étudient ces orages pour prédire leur formation avec précision.

Les éclairs Catatumbo
 

   LE SAVAIS-TU ?

Les couleurs, une invention du cerveau ! 

Les couleurs n’existent pas ! En voilà un constat surprenant. Ton sapin est pourtant vert et le citron est jaune ? Les couleurs sont en fait des illusions créées par notre cerveau. Notre œil détecte la lumière réfléchie. Elle est focalisée sur la rétine qui contient des photodétecteurs. Chez l’humain, il en existe de 3 sortes, qui peuvent détecter le bleu, le vert ou le rouge. Grâce à eux, nous pouvons obtenir plusieurs millions de couleurs différentes. Les informations récoltées par les photodétecteurs sont en vérité des longueurs d’onde envoyées au cerveau. C’est lui qui interprète ensuite cette information pour nous aider à percevoir notre monde.

C’est aussi pour cette raison que nous ne voyons pas tous les mêmes couleurs.

Le selfie du jour

L’arc-en-ciel blanc ou fantôme

Aussi appelé arc-en-ciel de brouillard, c’est un phénomène rare que l’on peut observer dans les régions froides comme l’Arctique ou dans la baie de San Francisco, là où le brouillard se forme facilement. Mais pourquoi est-il tout blanc ? Tu as appris ci-dessus qu’un arc-en-ciel multicolore se forme lorsque les rayons du soleil passaient au travers des gouttelettes d’eau. Les arcs-en-ciel blancs se forment de la même manière mais quand les gouttelettes sont vraiment nombreuses et toutes petites (0,1 mm). Aussi petites que dans les bancs de brouillard. Trop petites que pour agir comme un prisme. Et donc au lieu de se décomposer en de multiples couleurs, la lumière du soleil est réfléchie comme à la surface d’un miroir. Ces petites gouttes en suspension renvoient la lumière dans tous les sens. Comme toutes les couleurs se chevauchent, le résultat est une lumière blanche. Aussi, l’arc apparaît blanc. À 2 conditions: un brouillard dense devant soi et un soleil bas derrière soi. On oublie les fantômes ? 

Les chiens du soleil

Autre type de phénomène optique atmosphérique, les chiens du soleil sont comme 2 soleils supplémentaires qui apparaissent respectivement à gauche et à droite du soleil. Le nom scientifique est parhélie. On l’observe généralement quand le soleil est bas (soit le matin, soit le soir) et quand des nuages appelés cirrus s’étendent dans le ciel. Les cirrus sont des rubans de nuages très fins, qui s’étirent dans le ciel. Ils se composent de petits cristaux de glace de forme généralement hexagonale. Quand les rayons du soleil passent au travers de ces cristaux, la lumière est réfractée pour laisser apparaître ces faux soleils. Les parhélies sont colorés comme l’arc-en-ciel, avec la couleur rouge au centre, et la couleur bleue orientée vers l’extérieur.

Parhélie

LE P’TIT DICO

Lumière blanche:
c’est l’ensemble des ondes visibles par l’œil. Elle se compose de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel.

Spectre électromagnétique: c’est l’ensemble des ondes électromagnétiques classées en fonction de leur longueur d’onde ou de leur fréquence.

Onde électromagnétique: c’est une onde composée d’un champ électrique et d’un champ magnétique.

Lumière naturelle:
c’est la lumière produite naturellement par notre Soleil 

Diffusion de la lumière: c’est quand le rayon est dévié de sa trajectoire. C’est le contraire de l’absorption. 

Réfraction: la lumière voyage très vite. Sa vitesse change en fonction du milieu. La réfraction représente le changement de vitesse quand la lumière change de milieu. Par exemple, elle ralentit quand elle passe de l’air à l’eau. En changeant de vitesse, elle change aussi de direction.

Réflexion: c’est quand la lumière rebondit sur une surface à l’image d’une balle. Si tu lances une balle face au mur, elle te revient dans les mains. Si tu la lances de côté, avec un angle, elle rebondit avec le même angle. La lumière fait la même chose, plus ou moins fortement en fonction de la surface.

 

LES CHEMINS DE LA LUMIERE

1) LA LUMIÈRE, UNE HISTOIRE D’ONDE

Comme
expliqué ci-dessus, la lumière est une onde électromagnétique. La lumière
naturelle est produite par notre étoile, le Soleil, ou le feu ou encore, les
lucioles. Autour de nous, il existe aussi des sources de lumières
artificielles. Par exemple, la lumière de l’ampoule ou des phares de voiture.
Quelle que soit sa source, la lumière voyage dans les différents milieux,
toujours en ligne droite. Cependant, sa trajectoire ou son comportement peut
changer dans certaines conditions.

2) LA DIFFUSION DE LA LUMIÈRE

Lorsque la lumière se propage dans un milieu transparent comme l’air ou l’eau, elle rebondit sur les molécules qui la composent. Ce comportement s’appelle la diffusion de la lumière. C’est la diffusion de la lumière qui explique pourquoi le ciel est bleu en journée ou rouge le soir.

3) LA LUMIÈRE RÉFLÉCHIT-ELLE ?

La lumière ne pense pas à la direction qu’elle va prendre. Mais elle peut réfléchir. Pas dans le sens que tu crois bien sûr. Lorsque la lumière rencontre une surface lisse et brillante, comme l’aluminium, elle rebondit et repart dans une autre direction avec le même angle que le faisceau entrant. On parle de réflexion de la lumière. 

4) COMMENT LA LUMIÈRE CHANGE-T-ELLE DE DIRECTION ?

La vitesse de la lumière n’est pas la même suivant le milieu. Dans le vide, sa vitesse est la plus élevée. Dans un milieu transparent, comme l’air ou l’eau, sa vitesse diminue. Par exemple, la vitesse de la lumière est plus grande dans l’air que dans l’eau. En changeant de milieu, la lumière «freine» et change de direction. On appelle cela la réfraction. C’est le phénomène que tu observes quand tu introduis une paille dans ton verre. Vue du haut, ta paille (ou le crayon comme dans l’exemple ci-dessous) semble cassée. Les différentes longueurs d’onde qui composent la lumière blanche (celles correspondant à chaque couleur) voyagent toutes à une vitesse différente dans ce nouveau milieu. C’est pour cela que le bleu se sépare du vert qui se sépare du jaune, qui se sépare du rouge. Tu as compris le principe du prisme.  

Ton p’tit LABO

Une expérience à faire avec Curiokids: 

«Crée des illusions d’optique avec del’eau»

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