La couleur d’un nuage dépend principalement de la couleur de la lumière qu’il reçoit. La source naturelle de lumière de la Terre est le soleil qui fournit une lumière « blanche ». La lumière blanche combine toutes les couleurs du « spectre visible », qui est la gamme de couleurs que nous pouvons voir.
Chaque couleur du spectre visible représente des ondes électromagnétiques de longueurs différentes. Les couleurs changent à mesure que la longueur d’onde augmente du violet à l’indigo en passant par le bleu, le vert, le jaune, l’orange, le rouge et le rouge profond.
Lorsque la longueur d’une onde lumineuse augmente, son énergie diminue. Cela signifie que les ondes lumineuses qui composent les violettes, l’indigo et le bleu ont des niveaux d’énergie plus élevés que le jaune, l’orange et le rouge.
Une façon de voir les couleurs de la lumière du soleil est l’utilisation d’un prisme. La vitesse de la lumière diminue légèrement lorsqu’elle se déplace dans le prisme, ce qui la fait légèrement se plier. C’est ce qu’on appelle la réfraction. Le degré de réfraction varie avec le niveau d’énergie de chaque onde.
Les ondes lumineuses d’énergie la plus faible réfractent le moins, tandis que les ondes d’énergie la plus élevée présentent la plus grande réfraction. Le résultat final est une dispersion de la lumière dans un arc-en-ciel de couleurs.
Les arcs-en-ciel sont en partie le résultat de la réfraction de la lumière du soleil à travers une goutte de pluie, qui agit comme un prisme.
Alors, si la lumière du soleil est « blanche », pourquoi le ciel est-il bleu?
Les atomes et molécules comprenant des gaz dans l’atmosphère sont beaucoup plus petits que les longueurs d’onde de la lumière émise par le soleil.
Lorsque les ondes lumineuses pénètrent dans l’atmosphère, elles commencent à se disperser dans toutes les directions par collisions avec des atomes et des molécules. C’est ce qu’on appelle la diffusion de Rayleigh, du nom de Lord Rayleigh.
La couleur du ciel est le résultat de la diffusion de TOUTES LES longueurs d’onde. Pourtant, cette diffusion n’est pas à part égale mais fortement pondérée vers les longueurs d’onde les plus courtes.
Lorsque la lumière du soleil pénètre dans l’atmosphère, une grande partie des ondes lumineuses violettes se dispersent en premier, mais très élevées dans l’atmosphère et ne sont donc pas facilement visibles. Les ondes lumineuses de couleur indigo se dispersent ensuite et peuvent être vues de hautes altitudes telles que les avions à réaction volant à des altitudes de croisière normales.
Ensuite, les ondes lumineuses bleues se dispersent à un rythme environ quatre fois plus fort que les ondes lumineuses rouges. Le volume de diffusion par les ondes lumineuses bleues plus courtes (avec une diffusion supplémentaire par le violet et l’indigo) domine la diffusion par les longueurs d’onde de couleur restantes. Par conséquent, nous percevons la couleur bleue du ciel.
Si le ciel est bleu, pourquoi les nuages sont-ils blancs ?
Contrairement à la diffusion de Rayleigh, où les ondes lumineuses sont beaucoup plus petites que les gaz dans l’atmosphère, les gouttelettes d’eau individuelles qui composent un nuage sont de taille similaire à la longueur d’onde de la lumière du soleil. Lorsque les gouttelettes et les ondes lumineuses sont de taille similaire, une diffusion différente, appelée diffusion « Mie », se produit.
La diffusion Mie ne différencie pas les couleurs de longueur d’onde individuelles et disperse donc TOUTES les couleurs de longueur d’onde de la même manière. Le résultat est une lumière « blanche » également dispersée du soleil et nous voyons donc des nuages blancs.
Pourtant, les nuages n’apparaissent pas toujours blancs car la brume et la poussière dans l’atmosphère peuvent les faire apparaître jaunes, orange ou rouges. Et à mesure que les nuages s’épaississent, la lumière du soleil qui traverse le nuage diminuera ou sera bloquée, donnant au nuage une couleur grise. S’il n’y a pas de lumière directe du soleil frappant le nuage, il peut refléter la couleur du ciel et apparaître bleuâtre.
Rayleigh et Mie
Certains des nuages les plus pittoresques se produisent près du lever et du coucher du soleil lorsqu’ils peuvent apparaître dans des jaunes, des oranges et des rouges brillants. Les couleurs résultent d’une combinaison de diffusion Rayleigh et Mie.
Lorsque la lumière traverse l’atmosphère, la plupart des longueurs d’onde bleues plus courtes sont dispersées, laissant la majorité des ondes plus longues continuer. Par conséquent, la couleur prédominante de la lumière du soleil change à ces longueurs d’onde plus longues.
De plus, lorsque la lumière pénètre dans l’atmosphère, elle se réfracte avec la plus grande courbure de son trajet près de la surface de la terre où l’atmosphère est la plus dense. Cela provoque l’allongement du trajet de la lumière à travers l’atmosphère, ce qui permet davantage de diffusion de Rayleigh.
Alors que la lumière continue de se déplacer dans l’atmosphère, les longueurs d’onde jaunes sont dispersées, laissant des longueurs d’onde orange. La diffusion ultérieure des longueurs d’onde orange laisse le rouge comme couleur prédominante de la lumière du soleil.
Par conséquent, près du lever et du coucher du soleil, la couleur d’un nuage est la couleur de la lumière du soleil qu’il reçoit après la diffusion de Rayleigh. Nous voyons la couleur de la lumière du soleil due à la diffusion Mei qui disperse également toutes les couleurs de longueur d’onde restantes.
La couleur de perception
Parfois, sous la lumière directe du soleil, les nuages apparaissent gris ou gris foncé sur un ciel bleu ou un fond plus large de nuages blancs. Il y a généralement deux raisons à cet effet.
- Les nuages peuvent être semi-transparents, ce qui permet de voir le ciel bleu de fond à travers le nuage. Lui donnant ainsi un aspect plus sombre.
- Une raison plus courante est le contraste entre l’arrière-plan (ciel bleu ou nuages supplémentaires) et le nuage de premier plan submerge notre vision. En substance, nos yeux sont trompés par notre perception des nuages de premier plan apparaissant sombres par rapport à la luminosité écrasante de l’arrière-plan.
Cette dernière raison explique pourquoi les taches solaires semblent sombres. La luminosité du soleil est basée sur la température et la température d’une tache solaire est inférieure à la surface environnante du soleil.
Par rapport à la surface du soleil, les taches solaires apparaissent assez sombres. Cependant, si les taches solaires étaient isolées de la luminosité environnante, elles seraient encore trop lumineuses pour être regardées avec l’œil non protégé. Le contraste de luminosité entre les deux est ce qui fait que les taches solaires apparaissent sombres.