Certains phénomènes optiques qui ont lieu dans l'atmosphère font apparaître des couleurs. C'est le cas du ciel, qui est bleu le jour et « noir » la nuit, ou du Soleil, qui est blanc la journée et rouge-orangé à l'aube ou au crépuscule.
La perception de la couleur fait appel à divers phénomènes aussi bien physiques que physiologiques. Les phénomènes présentés ici sont dus à la diffusion de la lumière.
Le matériel
- 2 aquariums ou grands saladiers (30 à 40 cm)
- de l’eau en quantité suffisante pour les remplir
- 1 projecteur de diapositives (pour projection du faisceau de lumière)
- quelques décilitres de lait
- 1 cuillère à soupe de poudre de talc
L'expérience
Un aquarium (ou un grand saladier transparent) est rempli d’eau très claire dans une pièce sombre. Il est traversé par le faisceau lumineux d’un projecteur de diapositives, le faisceau étant projeté sur un écran à quelques mètres de l’aquarium. On ne voit que le passage de quelques poussières à travers le faisceau lumineux. On ajoute une ou deux gouttes de lait dans l’aquarium, on mélange et on laisse reposer. Le faisceau lumineux devient immédiatement très visible. La lumière diffusée est légèrement bleutée, le bleu étant plus prononcé près de l’entrée du faisceau dans l’aquarium. La tache lumineuse sur l’écran prend une couleur orangée. On continue à introduire progressivement du lait. La lumière diffusée est toujours bleutée près de l’entrée dans l’aquarium, mais devient progressivement orangée près de la sortie. La tache sur l’écran devient rouge-orange foncé.
On refait la même expérience dans un second aquarium, mais en remplaçant le lait par de la poudre de talc. Le talc se mélangeant difficilement à l’eau, on préparera au préalable un mélange eau-talc dans un petit récipient (une cuillère à soupe de talc dans un bol d’eau) et on introduira progressivement ce mélange dans l’aquarium. Ce que l’on observe est maintenant très différent : la lumière diffusée est blanche, sans aucune teinte, et la tache lumineuse sur l’écran reste également blanche. Lorsque l’on augmente la quantité de talc, la lumière diffusée ou celle atteignant l’écran reste toujours blanche, seule son intensité varie.
Pour que ces expériences donnent des résultats satisfaisants, le récipient devra être assez grand (30-40 cm de long). Le faisceau lumineux sera celui d’un projecteur de diapositives : il est bien focalisé et provient d’une lampe halogène, dont la lumière a une composante bleue significative bien que plus faible que celle du rayonnement solaire. Un éclairage par une lampe de poche standard donnera des résultats décevants, sa lumière ne comportant presque pas de bleu. On n’obtiendra de toute façon jamais le bleu de notre ciel. On aura avantage à réaliser les deux expériences en même temps, avec deux récipients identiques éclairés alternativement. Les couleurs de l’expérience avec le lait apparaîtront mieux par contraste avec le blanc de l’expérience avec le talc.
L'infographie
Cliquez sur chaque vignette pour agrandir l'image (© Julie Sistenich pour l'IPSL).
Pour aller plus loin
La lumière visible est un rayonnement électromagnétique qui couvre toute une plage de longueurs d'onde allant de 0,4 à 0,7 μm. Un rayonnement dont la longueur d'onde est d'environ 0,4 μm est perçu par notre œil comme étant de couleur violet-bleu, celui dont la longueur d'onde est d'environ 0,7 μm est perçu comme rouge. Pour les longueurs d'onde intermédiaires, les couleurs varient progressivement du vert au jaune puis à l'orange.
Simplifions à l'extrême et en partageons le domaine visible en deux plages de longueurs d'onde : les petites correspondent à la couleur bleue et les grandes à la couleur rouge. Si la contribution de ces deux plage est équilibrée, l'œil perçoit la couleur blanche. Si l'intensité des petites longueurs d'onde domine, l'œil voit du bleu et si c'est l'intensité des grandes qui domine, l'œil voit du rouge. Les phénomènes de diffusion de la lumière illustrés ci-dessus entraînent l'apparition de couleurs à partir d'une lumière blanche.
La première expérience reproduit à petite échelle les phénomènes qui sont à l'origine de la couleur bleue du ciel et de la couleur orange du Soleil bas sur l'horizon. La seconde, avec du talc, reproduit les phénomènes qui sont à l'origine de la couleur blanche des nuages.
Toutes les particules diffusent la lumière qui les éclaire et les propriétés de cette diffusion dépendent essentiellement de la taille des particules (leur composition intervient également, mais nous négligerons cet effet). Quand le rayon des particules est petit devant la longueur d'onde, le rayonnement de courte longueur d'onde (couleur bleue) est beaucoup plus diffusé que celui de grande longueur d'onde (couleur rouge). Quand, au contraire, le rayon des particules est plus grand que la longueur d'onde, toutes les longueurs d'onde sont diffusées de la même façon.
Les macromolécules de lait dilué dans l'eau sont des particules de petit rayon devant la longueur d'onde de la lumière visible. La probabilité d'être diffusée est alors beaucoup plus élevée pour un rayonnement de courte longueur d'onde (couleur bleue) que pour un rayonnement de plus grande longueur d'onde (couleur rouge). C'est ce que l'on observe dans la première expérience : le faisceau diffuse une lumière bleutée lorsqu'il pénètre dans l'aquarium contenant du lait. Du fait de cette diffusion, le faisceau lumineux qui traverse l'aquarium, c'est à dire qui n'est pas diffusé, a un spectre appauvri en rayonnement de courte longueur d'onde (bleu). La lumière blanche à laquelle on soustrait du bleu prend une teinte rouge-orangé, d'où la couleur de la tache du faisceau sur l'écran. Cette tache est orange très clair, presque blanche, lorsqu'il y a très peu de lait. La couleur orage devient de plus en plus marquée au fur et à mesure qu'on rajoute du lait.
La lumière blanche qui éclaire l'aquarium contenant du talc mélangé à de l'eau est diffusée sans que l'on observe de changement de couleur. De même, la lumière transmise est blanche. Le rayon des grains de talc (quelques microns, c'est à dire quelques millièmes de millimètres) étant plus grand que la longueur d'onde du rayonnement (quelques dixièmes de microns), ces grains diffusent de la même façon le rayonnement de courte et de grande longueurs d'onde. Si une poussière de talc est éclairée par de la lumière blanche, elle diffuse donc de la lumière blanche et le rayonnement transmis est également blanc.
- « La Physique de l'atmosphère », Jean-Louis Dufresne, in « Graines de Sciences 4 » , pp.59-94, Éditions Le Pommier, Paris, 2002.
Merci à Jean-Louis Dufresne (LMD-PSL).