Pourquoi le ciel est-il bleu ?

La lumière du soleil, que nous percevons comme blanche, rencontre lors de son passage à travers l'atmosphère terrestre des molécules de divers gaz (principalement de l'azote et de l'oxygène) et des particules solides et liquides en suspension (aérosols).

Une grande partie du rayonnement solaire atteint la surface terrestre directement, mais une petite partie est diffusée dans l'atmosphère. Les détails de la diffusion dépendent à la fois de la longueur d'onde de la lumière (c'est-à-dire de sa couleur) et de la taille des particules qu'elle rencontre dans l'atmosphère.

Diffusion de Rayleigh

Si les particules atmosphériques sont beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière (380 à 700 nm, ou millionièmes de mm, pour la lumière visible), comme c'est le cas des molécules de gaz, la diffusion varie de manière inversement proportionnelle à la puissance 4 de la longueur d'onde, selon la loi de Rayleigh ; il en résulte que la lumière bleue, dont la longueur d'onde est plus petite que la lumière rouge, est plus diffusée que la lumière rouge.

La lumière bleue est donc en partie diffusée dans toutes les directions : c'est pourquoi le ciel nous apparaît de cette couleur.

Diffusion de Mie

Les particules plus grosses, (beaucoup) plus grandes que la longueur d'onde de la lumière, comme les gouttelettes d'eau en suspension ou d'autres types d'aérosols, ont des effets différents sur la diffusion. Selon la loi de Mie, dans ce cas, la lumière est diffusée de manière pratiquement indépendante de sa couleur. La direction de la diffusion est également principalement vers l'avant.

Comme elle ne dépend pas de la longueur d'onde de la lumière, la diffusion de Mie a pour effet de rendre le ciel blanchâtre. Ce phénomène est plus prononcé lorsqu'on regarde vers l'horizon, car l'épaisseur de l'atmosphère traversée par la lumière est plus importante. Le bleu est en revanche plus intense lorsqu'on regarde vers le zénith.

Le cyanomètre

La couleur du ciel peut donc nous renseigner sur la concentration d'aérosols dans l'atmosphère. Le célèbre physicien et alpiniste suisse Horace Bénédict de Saussure (1740 - 1799), inventeur entre autres de l'hygromètre à cheveux, a eu l'idée de développer un instrument pour mesurer l’intensité du bleu du ciel : il l'a baptisé « cyanomètre ».

Le cyanomètre de De Saussure était divisé en sections colorées et numérotées, allant du blanc à des nuances de bleu de plus en plus foncées, teintes avec du colorant bleu de Prusse et disposées en cercle. Les cyanomètres étaient fabriqués à la main selon une recette prédéfinie de concentration de pigment pour chaque section, puis distribués à des amis et collègues naturalistes afin de recueillir des observations supplémentaires. Dans un article de 1790, De Saussure présente une illustration d'une roue à 40 sections, tout en précisant qu'elle sert uniquement à donner au lecteur « une idée de sa forme » ; le cyanomètre réel comptait 53 sections (ou « degrés »), allant du blanc (0) au noir (52).

Le cyanomètre devait être tenu face au ciel afin de trouver la nuance de bleu la plus proche sur le disque coloré.

De Saussure a mesuré un bleu de degré 22 à Genève, environ 20 à Chamonix et 31 au Mont Blanc (Col du Géant). Le savant allemand Alexander von Humboldt a mesuré un bleu intense de degré 41 au sommet du Teide (3 715 m d'altitude, Tenerife, îles Canaries) et un bleu record de degré 46 sur le Chimborazo (6 263 m d'altitude, en Équateur).