Soit un tube cylindrique en verre transparent dont les extrémités sont fermées par 2 fenêtres transparentes et parallèles. Ce tube possède un orifice par lequel on peut faire le vide.

     Prenons un pointer laser vert et plaçons le de manière à ce que le faisceau pénètre par une fenêtre et ressorte par l'autre.

     Dans la mesure où le tube contient de l'air, le faisceau de lumière verte est perceptible par un observateur placé de coté tel que vous l'êtes devant l'animation ci-dessous.

     Lorsque l'opérateur fait le vide dans le tube, le faisceau de lumière verte á l'intérieur du tube disparait progressivement.

     Lorsque l'opérateur stoppe la mise sous vide et introduit progressivement de l'air, le faisceau de lumière verte réapparait de nouveau.

     De même, un faisceau laser vert pointant vers le ciel à partir du sol est perceptible par un observateur au sol qui ne reçoit pas directement le faisceau.

     Ce phénomène s'explique par la diffusion de la lumière par les molécules de l'air situées sur le trajet du faisceau laser. Cette lumière diffusée se propage dans toutes les directions de l'espace et ainsi l'observateur peut percevoir la trace du faisceau laser dans le ciel ou dans le tube en verre.

     Le faisceau étant monochromatique, l'observateur perçoit la même couleur : il s'agit d'un mécanisme de diffusion élastique (sans changement de longueur d'onde).

     Les mécanismes qui interviennent dans la perception de ce faisceau sont cependant de différente nature :

• la diffusion de type Rayleigh par les molécules individuelles et les atomes constituants les gaz et plasmas de l'air.

• la diffusion de type Tyndall par les particules ayant une taille très inférieure à celle de la longueur d'onde (aérosols légers, poussières nanométriques voire sub-microniques...)

• la diffusion selon la théorie de Mie pour les particules ayant la taille de l'ordre de la longueur d'onde (aérosols lourds, brouillards, poussières, fumée...). On parle encore d'effet Tyndall.

• la réflexion par les particules de grandes dimensions (brouillards, gouttes d'eau en suspension...)

• la diffraction par des objets transparents comme les gouttes d'eau.

     Une partie du rayonnement électromagnétique émis par le soleil est réfléchie par l'atmosphère terrestre, y compris des rayonnements visibles (lumière). Une autre partie pénètre cette atmosphère, et éventuellement la traverse, plus ou moins directement, jusqu'à atteindre l'œil d'un observateur. L'atmosphère terrestre diffuse les rayonnements provenant du soleil, d'autant plus que leur longueur d'onde est courte (ce qui correspond, dans le spectre visible, aux couleurs proches du violet).

     Lorsque nous dirigeons notre regard vers le soleil ou au voisinage de celui-ci, nous percevons les rayonnements les plus directs : ce sont ceux de grande longueur d'onde (couleur tendant vers le rouge), moins diffusés par l'atmosphère.

     Lorsque nous dirigeons notre regard ailleurs dans le ciel, nous percevons des rayonnements dont la trajectoire à partir du soleil est très indirecte : ce sont ceux de courte longueur d'onde (couleur tendant vers le violet), très diffusés par l'atmosphère.

     La luminosité du ciel et la qualité de la lumière qu’il émet dépendent aussi de la composition de l’atmosphère et de la présence de particules en suspension. Les molécules de l’air diffusent en effet la lumière avec un effet sélectif, appelé effet Tyndall ou diffusion de Rayleigh, qui donne sa couleur bleue au ciel clair.

     En 1871, l'année de son mariage, Sir John William Strutt Rayleigh (1842-1919 Prix Nobel de physique en 1904) a calculé l'intensité dispersée par des diffuseurs formés de molécules dipolaires beaucoup plus petits que la longueur d'onde comme :

où :

• N   est le nombre de particules

• λ   est la longueur d'onde de la lumière incidente

• α   est la polarisabilité

• θ   est l'angle entre l'onde incidente et l'observateur

     La diffusion Rayleigh varie donc comme λ^-4. Elle est bien plus forte dans le bleu, à 400 nm , que dans le rouge à 650 nm dans un rapport (650 / 400)⁴ ~ 7.

     En fait, la diffusion Rayleigh indique même que le ciel devrait être vu violet . De plus, la loi du corps noir affirme que le rayonnement du Soleil est plus important dans le domaine du violet (et plus encore pour l'ultraviolet, mais l'ultraviolet est plus filtré par la couche d'ozone) que pour le bleu .

     Mais l'œil humain en vision photopique présente un pic de sensibilité autour du vert (longueur d'onde 555 nm), tandis que la sensibilité au violet est 100 fois plus faible.

     Le "décalage vers le vert" conduit donc à un ciel vu bleu par l'œil humain.

     La couleur du ciel est à l'origine de plusieurs noms de couleurs appartenant au champ chromatique bleu : bleu ciel, bleu céleste, bleu céruléen, etc.

     On peut s'interroger sur la perception des couleurs par d'autres capteurs que l'œil humain, et en particulier les appareils photos numériques dont la finalité première est de restituer fidèlement la gamme de couleurs telle qu'elle est perçue par l'œil humain.

     Cependant, les capteurs CCD ou CMOS ont une large réponse spectrale allant de l'UV au proche infrarouge.

     Compte-tenu de l'optique en verre utilisée et des filtres interposés par les constructeurs, la réponse spectrale d'un appareil photo numérique du type Canon 40D est proche de la vision photopique de l'œil humain.

     Néanmoins, la réponse spectrale est quelque peu décalée vers le bleu. Pour y remédier, le constructeur intègre un réglage de la balance des blancs par voie électronique. Et ainsi, le ciel n'est pas violet sur nos photos.

     Cependant, en altitude, lorsqu'il y beaucoup de rayonnement UV, il est nécessaire de mettre sur l'objectif un filtre UV pour ne pas 'éblouir' la photo.

     La diffusion Rayleigh explique aussi pourquoi les veines sont bleues quand on les regarde. Le sang des veines est rouge foncé lorsqu'il est vu en transmission comme le serait une goutte de sang placée entre 2 lames porte-objet de microscope. Il explique aussi la couleur bleue de l'iris des yeux.

     La diffusion selon le modèle de Rayleigh n'est valide que pour la dispersion de la lumière par les molécules jusqu'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 couleur du ciel est variable entre l'aurore et le crépuscule.

     Au lever et au coucher, on perçoit en vision directe la lumière blanche du plein soleil, près de l'horizon. Celui-ci semble rouge parce que la lumière bleue a été dispersée au loin et l'on ne voit plus que la lumière provenant directement du soleil.

     L'effet de la dispersion sur la coloration du soleil est plus marqué près de l'horizon qu'au zénith : la lumière a alors un plus long trajet à travers l'atmosphère et rencontre donc plus de particules.

     De même, en altitude, où l'air est plus rare, la dispersion est beaucoup moins forte. On reçoit donc plus de lumière directe, et beaucoup moins de lumière indirecte, diffusée par l'atmosphère : le ciel est moins lumineux, plus sombre, ce qui donne un bleu plus "profond".

     La vapeur d'eau est un élément important de la luminosité. La vapeur d'eau fait que la coloration rouge du soleil (et le bleu du ciel) est plus importante le soir que le matin, et en bord de mer que dans le désert. Lorsque la quantité d'eau fait apparaître des gouttes (nuages, brouillard), elles absorbent et diffusent la lumière incidente;

• peu nombreuses, leur effet est surtout de diffusion et rend la voûte céleste plus lumineuse qu'un ciel clair (au détriment de la lumière directe);

• denses, c'est l'absorption qui prend le dessus et leur effet est d'assombrir le ciel.