Coucher de soleil dans un verre

Quand tu regardes en direction de la lumière de la lampe (ou de la bougie) à travers ton verre dans la position 1 sur les schémas ci-dessus, le liquide prend une teinte rougeâtre. Par contre, depuis la position 2, le liquide prend une teinte bleutée.

Position 1

Position 2

Comment est-ce possible de voir différentes couleurs alors que nous n’avons rien changé à l’expérience, si ce n’est la position par où l’on éclaire ? Il n’y a rien de magique là-dedans, cela est dû à un phénomène que l’on appelle la diffusion de la lumière.

Le voyage de la lumière

La lumière visible qui nous vient du soleil, ou d’une bougie, est une lumière blanche. Mais cette lumière blanche contient en réalité toutes les couleurs de l’arc-en-ciel (tu peux en apprendre plus en faisant l’expérience  Arc-en-ciel d’intérieur  et  Voir le blanc en couleurs… ).

Les particules de lumière voyagent normalement en ligne droite. Cependant, sur leur chemin peuvent se trouver des obstacles qui vont avoir différents effets sur leur trajectoire. Dans notre cas, quand les particules de lumière vont rencontrer un obstacle, elles vont diffuser, c’est-à-dire partir dans toutes les directions. Les obstacles présents dans ton verre sont de toutes petites « bulles » de lait.

Rouge ou bleu ?

Ceci n’explique toujours pas pourquoi quand tu regardes la source de lumière de face à travers le verre, le contenu deviens rouge alors que si tu la regarde de biais, il devient bleuté.

Les couleurs ne sont pas toutes diffusées de la même façon et selon d’où tu observes la source de lumière, les photons devront parcourir une distance plus ou moins grande avant d’atteindre ton œil.

Commençons par comprendre la différence de diffusion en fonction des couleurs. Si l’on décompose la lumière blanche dans toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, nous avons dans l’ordre : Violet, Indigo, Bleu, Vert, Jaune, Orange, Rouge.

Quand un obstacle se trouve sur leur chemin, le violet-, l’indigo et le bleu diffusent beaucoup, comme le montre le schéma ci-dessous. Une grande partie de leur lumière est déviée et peu continue tout droit. A l’opposé, les couleurs rouge et orange sont très peu diffusées par des obstacles, et la plus grande partie de leur lumière continue tout droit.

Regardons ce qui se passe quand tu observes directement la lumière à travers ton verre, en nous aidant des schémas ci-dessous :

Sur l’image (a.), tu observes directement la source de lumière à travers ton verre. Pour parvenir à ton œil, la distance à parcourir dans le verre est suffisamment importante pour que la lumière rencontre beaucoup de « bulles » de lait qui font diffuser non seulement le violet, l’indigo et le bleu, mais aussi le vert, le jaune et un peu d’orange. La seule couleur qui arrive encore tout droit vers tes yeux et le rouge.

Sur l’image (b.), cette fois-ci, tu ne regardes plus directement la source de lumière (flèche grise), mais la couleur qu’il y a autour de cette source (flèche noire). Toutes les couleurs ayant diffusé, c’est l’orange et le rouge qui prennent le dessus, et tu observes que le contenu de ton verre devient rougeâtre.

Sur l’image (a.), tu observes à nouveau directement la source de lumière, mais cette fois-ci, depuis le haut. Pour parvenir à ton œil, la lumière aura donc un parcours moins important à faire dans le verre et rencontrera moins de « bulles » de lait. Le violet, l’indigo et le bleu vont diffuser, mais pas les autres couleurs. Le mélange des couleurs qui arrivent à ton œil est jaune.

Sur l’image (b.), tu ne regardes plus directement la source de lumière (flèche grise), mais la couleur qu’il y a autour de cette source (flèche noire). Ici, seul le violet, l’indigo et le bleu ont diffusé, et comme notre œil est plus sensible à la couleur bleue, le contenu de ton verre devient bleu.

Et la couleur du ciel dans tout ça ?

Nous pouvons mettre en parallèle l’expérience que tu viens de faire et la couleur du ciel que nous voyons depuis notre planète Terre :

La lampe de poche = le soleil

L’eau = l’atmosphère qui entoure la Terre

Le lait = les gaz et différentes particules qui composent notre atmosphère

L’œil = l’observateur/toi sur Terre

L’épaisseur de l’atmosphère que doit traverser la lumière du soleil quand il est au zénith (au plus haut dans le ciel) est suffisamment courte pour que seul le bleu diffuse, donnant à notre ciel cette couleur. Et si nous pouvions le regarder, le soleil apparaîtrait jaune. Mais au coucher (ou lever) du soleil, la lumière doit parcourir une distance dans l’atmosphère beaucoup plus grande, et par conséquent le ciel, ainsi que le soleil deviennent alors rouges !

Pour aller plus loin

Coucher de soleil sur Mars

C’est donc l’épaisseur de notre atmosphère, éclairée par le soleil qui nous permet d’avoir un beau ciel bleu en journée qui devient rouge lorsque le soleil touche l’horizon. Si on observe un coucher de soleil depuis Mars, cela sera totalement différent. En effet, son atmosphère est beaucoup plus fine que celle de la Terre, et par conséquent diffuse uniquement le violet, l’indigo et le bleu. Voici donc à quoi ressemble un coucher de soleil sur Mars…

Et les nuages blancs ?

La diffusion de la lumière responsable de la couleur de notre ciel est due uniquement à de très petites particules dans l’atmosphère. On la nomme aussi diffusion de Rayleigh. Lorsque les photons rencontrent de plus grandes particules, comme des gouttes d’eau par exemple, le bleu ne sera pas plus diffusé que le rouge : c’est la diffusion de Mie. Cela veut dire qu’une goutte d’eau va diffuser toutes les couleurs en même temps. Du mélange de toutes les couleurs résulte la couleur blanche, caractéristique des nuages. C’est également ce qui se passerait si tu rajoutais du lait dans ton verre, le mélange deviendrait de couleur blanche.