Les couchers de soleil bleus de Mars, et pourquoi ceux de la Terre sont rouges

En bref : sur Mars, le ciel est orange ou rougeâtre le jour et, quand le Soleil se couche, le ciel autour de lui devient gris bleuté. La Terre fait l’inverse : un ciel bleu, un coucher de soleil rouge. Le Soleil est le même ; ce qui change, c’est ce que sa lumière rencontre. Les molécules de l’air terrestre sont bien plus petites qu’une onde lumineuse et diffusent surtout le bleu, dans tout le ciel ; au coucher du soleil, à travers beaucoup plus d’air, ce sont donc les rouges et les jaunes qui passent. L’air de Mars transporte de fins grains de poussière plus grands qu’une onde lumineuse, et le bleu qu’ils diffusent reste proche de la direction du Soleil.

Sur Mars, l’inverse

NASA Space Place : « During the daytime, the Martian sky takes on an orange or reddish color. But as the Sun sets, the sky around the Sun begins to take on a blue-gray tone. » (le jour, le ciel martien prend une couleur orange ou rougeâtre. Mais quand le Soleil se couche, le ciel autour du Soleil commence à prendre une teinte gris bleuté).

L’image la plus connue a été prise par le rover Curiosity de la NASA dans le cratère Gale le 15 avril 2015 (image PIA19400 du JPL, « Sunset in Mars' Gale Crater »).

Sur Terre, c’est l’inverse : bleu le jour, rouge au coucher. Même Soleil, même lumière solaire.

La Terre : de minuscules molécules renvoient le bleu partout

Le National Weather Service de la NOAA à Flagstaff : « While all colors are scattered by air molecules, violet and blue are scattered most. » (toutes les couleurs sont diffusées par les molécules de l’air, mais le violet et le bleu le sont le plus). NASA Space Place en donne la raison : « Blue light is scattered more than the other colors because it travels as shorter, smaller waves. » (la lumière bleue est plus diffusée que les autres couleurs parce qu’elle voyage sous forme d’ondes plus courtes et plus petites).

Le bleu est donc renvoyé dans tout le ciel, et le ciel paraît bleu.

Combien de plus : environ 5×

Lord Rayleigh l’a calculé en 1871 (alors l’honorable J. W. Strutt, « On the light from the sky, its polarization and colour », Philosophical Magazine). Comme le résume la Physics FAQ de l’UC Riverside : « He showed that the amount of light scattered is inversely proportional to the fourth power of wavelength for sufficiently small particles. » (il a montré que, pour des particules suffisamment petites, la quantité de lumière diffusée est inversement proportionnelle à la puissance quatrième de la longueur d’onde).

La lumière bleue fait environ 470 nm (HyperPhysics), et la rouge, aux plus grandes longueurs d’onde, environ 700 nm (NASA Science). Notre calcul : (700 ÷ 470)⁴ ≈ 4,9, donc le bleu est diffusé environ 5 fois plus que le rouge.

Pourquoi pas un ciel violet, alors ? La NOAA : « The sky looks blue, not violet, because our eyes are more sensitive to blue light (and the sun also emits more energy as blue light than as violet). » (le ciel paraît bleu, et non violet, parce que nos yeux sont plus sensibles à la lumière bleue, et que le soleil émet aussi plus d’énergie sous forme de lumière bleue que violette).

Le coucher de soleil terrestre : environ 38× plus d’air

Au coucher du soleil, le trajet de la lumière est bien plus long. NASA Space Place : « As the Sun gets lower in the sky, its light is passing through more of the atmosphere to reach you. Even more of the blue light is scattered, allowing the reds and yellows to pass straight through to your eyes. » (à mesure que le Soleil descend dans le ciel, sa lumière traverse davantage d’atmosphère pour vous atteindre. Une part encore plus grande de la lumière bleue est diffusée, ce qui laisse les rouges et les jaunes arriver directement jusqu’à vos yeux).

Combien plus long ? La formule de Kasten et Young de 1989 (Applied Optics), citée dans l’article « Air mass (astronomy) » de Wikipédia, donne « an air mass of approximately 38 at the horizon » (une masse d’air d’environ 38 à l’horizon) : environ 38 fois l’air que traverse la lumière quand le Soleil est au zénith.

Mars : des poussières plus grandes qu’une onde lumineuse

L’air de Mars est chargé de poussière. À partir des images de Mars Pathfinder, Tomasko et ses collègues (JGR Planets, 1999) ont trouvé : « The geometric cross‐section‐weighted mean particle radius is 1.6 ± 0.15 μm » (le rayon moyen des particules, pondéré par leur section géométrique, est de 1,6 ± 0,15 μm). Cela fait un grain d’environ 3 µm de diamètre, contre 0,47 µm pour la lumière bleue (notre calcul) : plus grand qu’une onde lumineuse.

Le rouge s’étale, le bleu reste près du Soleil

Mark Lemmon, de Texas A&M, membre de l’équipe de Curiosity, a expliqué les couleurs à la NASA/JPL en 2015 : « The colors come from the fact that the very fine dust is the right size so that blue light penetrates the atmosphere slightly more efficiently, » (les couleurs viennent de ce que la poussière très fine a juste la bonne taille pour que la lumière bleue traverse l’atmosphère un peu plus efficacement)

Et : « When the blue light scatters off the dust, it stays closer to the direction of the sun than light of other colors does. The rest of the sky is yellow to orange, as yellow and red light scatter all over the sky instead of being absorbed or staying close to the sun. » (quand la lumière bleue est diffusée par la poussière, elle reste plus proche de la direction du soleil que la lumière des autres couleurs. Le reste du ciel va du jaune à l’orange, car la lumière jaune et la rouge se diffusent dans tout le ciel au lieu d’être absorbées ou de rester près du soleil).

Voilà pourquoi la lueur autour du Soleil couchant est bleue

La légende du JPL pour PIA19400 : « Dust in the Martian atmosphere has fine particles that permit blue light to penetrate the atmosphere more efficiently than longer-wavelength colors. » (la poussière de l’atmosphère martienne contient de fines particules qui permettent à la lumière bleue de traverser l’atmosphère plus efficacement que les couleurs de plus grande longueur d’onde).

Pas tout le ciel martien : selon la description de la NASA, c’est le ciel autour du Soleil couchant qui devient gris bleuté.

À retenir

Quatre ciels : la Terre, bleue le jour et rouge au coucher du soleil ; Mars, rouge orangé le jour et bleue autour du Soleil couchant. La couleur n’est pas fixée par le Soleil ; elle l’est par ce qu’il y a dans l’air.

Sources

• NASA Space Place, Why Is the Sky Blue?, mis à jour le 29 août 2022
• NOAA National Weather Service, Flagstaff, Why is the sky blue?
• Philip Gibbs, Why is the sky blue?, Physics FAQ, UC Riverside, 1997
• HyperPhysics (Georgia State University), Color
• NASA Science, Visible Light
• J. W. Strutt, On the light from the sky, its polarization and colour, Philosophical Magazine 41, févr. 1871
• Wikipedia, Air mass (astronomy), pour Kasten & Young, Applied Optics 28(22), 1989
• NASA/JPL, NASA's Curiosity Rover Views Serene Sundown on Mars, 8 mai 2015
• NASA/JPL, PIA19400: Sunset in Mars' Gale Crater, 8 mai 2015
• Tomasko et al., Properties of dust in the Martian atmosphere from the Imager on Mars Pathfinder, JGR Planets, 1999

La vidéo est animée en code et le script a été écrit avec l’aide de l’IA ; chaque chiffre ci-dessus est vérifié auprès des sources, et les deux calculs sont les nôtres. Illustratif : chaque ciel, rayon, grain de poussière et molécule est dessiné, pas photographié, et la diffusion est montrée, pas simulée. La vidéo est en anglais. Réalisée avec Shotloop, mon app Mac gratuite pour faire des vidéos explicatives en code, corrigées un plan à la fois.