Techniques d'astronome amateur
Notions d

NOTIONS D'OPTIQUE

POUR LES ASTRONOMES AMATEURS

Quelle est la couleur du ciel de la planète Mars?

Précisons notre question : Si nous étions transportés sur la planète Mars, de quelle couleur verrions nous le ciel en levant les yeux?

Vous vous demandez certainement s'il est bien logique de traiter d'une telle question dans le cadre d'un cours d'initiation à l'optique, c'est bien compréhensible. En fait, cette analyse va nous permettre d'étudier certains thèmes de l'optique tout en évoquant un sujet polémique...

Sur Terre, le ciel est bleu...

Le ciel est bleu
Figure 1 : Le lac Lautier et le pic des Souffles par Olivier LEMAIRE.

"Pourquoi le ciel est bleu (sur Terre en l'absence de nuage)?". Quand je pose cette question à des astronomes amateurs, à des universitaires ou à des enseignants, j'obtiens généralement la réponse péremptoire : "C'est à cause de la diffusion de Rayleigh". Mon interlocuteur, sûr de lui, me lance cette affirmation en étant persuadé qu'il a tout expliqué.

Si je cherche ma réponse sur Internet, je trouve des explications similaires. Sur la toile, les divers auteurs que j'ai pu trouver pensent que l'expression "diffusion de Rayleigh" explique tout en ce qui concerne la couleur azur de notre ciel diurne.

Lorsque j'insiste pour obtenir une explication physique de cette couleur bleue du ciel, mon interlocuteur (ou bien le site internet que je consulte) m'indique que les molécules de l'air, à cause de leur petitesse, diffusent la lumière d'autant plus que sa longueur d'onde est courte. C'est pour cela que les rayons bleus sont plus diffusés que les rayons des autres couleurs. Cette lumière bleue diffusée par notre atmosphère donne donc sa couleur à notre ciel.

Cette explication est inexacte!

Les molécules qui composent l'air sont extrêmement petites, leurs dimensions sont inférieures à 1nm (1 nanomètre = 1 milliardième de mètre), elles sont donc plus de 5000 fois plus petites que les longueurs d'onde de la lumière visible. Elles sont trop petites pour diffuser cette lumière.

Si une molécule isolée pouvait dévier un rayon de lumière visible, il serait évident qu'aucun rayon lumineux venant de l'espace ne pourrait parvenir jusqu'au sol sans être dévié car ils rencontrent tous des molécules de l'air sur leur trajectoire.

Pourtant, nous voyons les étoiles, la Lune ou le Soleil car la plupart des rayons lumineux venant de l'espace traversent l'atmosphère sans être diffusés quand le ciel est dégagé.

Nous venons donc de démontrer que la diffusion de la lumière par notre atmosphère ne doit pas être cherchée dans l'influence individuelle des molécules sur le trajet de la lumière. L'explication est ailleurs.

Les fluctuations de densité

L'air de notre atmosphère est composé de 78% d'azote (N2), de 21% d'oxygène (O2). Le 1% restant correspond à de l'Argon et à des traces d'autres gaz.
Les indications entre parenthèses sont les désignations normalisées des molécules qui composent ces gaz. Exemple : la molécule d'azote N2 est composée de deux atomes d'azote désignés par la lettre N.

Ces molécules extrêmement petites et nombreuses sont agitées. Elles se percutent les unes les autres incessamment sous l'influence de la chaleur ambiante. Contrairement à ce qui se passe dans un liquide ou dans un solide, elles ne sont donc pas en contact permanent.

Dans un volume donné de gaz, la quantité de molécules et l'intensité de leur agitation provoquent la pression du gaz en ce lieu.

Si je considère le bureau dans lequel j'écris actuellement, je peux constater avec mon baromètre que la pression atmosphérique est identique dans tout son volume.

Etudions maintenant ce qui se passe dans un volume beaucoup plus petit, un cube de 10nm de côté dans l'atmosphère contenue dans la même pièce. Ce petit volume ne contient qu'une trentaine de molécules (en moyenne) et leur répartition dans ce petit volume n'est plus homogène comme elle l'était à l'échelle du bureau entier. La probabilité pour qu'elles soient toutes rassemblées dans une même moitié du cube est (1/2)30=10-9, c'est à dire une chance sur un milliard.

Dans les conditions ambiantes de mon bureau, les molécules de l'air se déplacent en moyenne à la vitesse de 500m/s. Dans ces conditions, les molécules vont se réorganiser dans notre petit volume 5 milliards de fois par seconde (5.109). Les molécules vont donc se grouper dans une seule moitié du cube une fois toutes les cinq secondes en moyenne (10-9.5.109=5).

Les cas intermédiaires se produisent beaucoup plus souvent. Par exemple, le cas où 20 molécules sont regroupées dans une moitié et 10 dans l'autre, il y aura 10 molécules de différence. Il se produira 5 millions de fois par seconde :
      (1/2)10.5.109=10-3.5.109=5.106=5.000.000.

Ainsi, la densité de l'air fluctue très vite et dans d'énormes proportions quand on l'observe à petite échelle. Les molécules s'amassent un court instant avec une très forte densité dans un petit volume puis se dispersent. A un autre moment, c'est le vide parfait qui occupe le volume.

Nous venons de décrire les "fluctuations de densité" qui règnent en permanence dans notre atmosphère.

Je dois préciser à l'attention des astronomes que ces fluctuations de densité correspondent à un concept tout à fait différent de celui de la turbulence atmosphérique. Dans ce dernier cas, les variations de densité ont une plus faible amplitude et concernent des volumes d'air beaucoup plus importants. Ces turbulences sont provoquées par des phénomènes de convection, elles entraînent des variations d'indice de réfraction qui provoquent notamment le scintillement des étoiles.

La diffusion de Rayleigh

Avec le raisonnement précédent, nous avons constaté que les fluctuations de densité sont fréquentes et importantes pour un petit volume mais leur fréquence et leur intensité diminuent rapidement quand on augmente les dimensions de la zone étudiée.

Par ailleurs, une analyse de la réfraction provoquée par l'air nous montre que l'indice de réfraction de l'air augmente avec sa pression. Ainsi, lorsqu'un rayon lumineux venant du Soleil traverse une zone de notre atmosphère qui a une densité élevée, il est fortement dévié. De plus, les bords de cette zone dense vont diffracter les rayons lumineux qui l'atteignent. Ces effets se feront sentir uniquement si le volume concerné possède des dimensions comparables à la longueur d'onde du rayon lumineux. Ce phénomène de diffusion est donc plus efficace et plus fréquent pour les longueurs d'onde courtes. C'est pour cela que l'atmosphère diffuse préférentiellement les rayons bleus qui nous viennent du Soleil alors que les autres couleurs sont beaucoup moins concernées. C'est la diffusion de Rayleigh (Lord John William Strutt Rayleigh 1842-1919). Lord Rayleigh nous indique que l'efficacité de cette diffusion est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde de la lumière incidente. Voici une expression simplifiée de la diffusion de Rayleigh :

avec : I = intensité diffusée
         λ = longueur d'onde
         K est un coefficient qui englobe les autres paramètres.

Comme la couleur bleue correspond aux longueurs d'onde les plus petites, cette formule nous indique bien que c'est cette couleur qui sera la plus diffusée.

Cette diffusion concerne une partie seulement de la lumière qui traverse l'atmosphère. Tous les rayons lumineux ne sont pas déviés car ils ne rencontrent pas tous une importante fluctuation de densité de l'air.

Sans les fluctuations de densité, le ciel serait noir et transparent même en plein jour (hormis la diffusion de la lumière par les poussières ou par d'éventuelles gouttelettes d'eau).

En conclusion, nous pouvons dire que, sur Terre, le ciel est bleu à cause des fluctuations de densité de notre atmosphère qui provoquent une diffusion de Rayleigh.

La lumière sera d'autant plus diffusée par ce phénomène que l'épaisseur d'atmosphère traversée sera grande. Lorsque le Soleil est proche de l'horizon, sa lumière traverse une plus grande épaisseur d'atmosphère que lorsqu'il est au zénith. Dans ces conditions, la diffusion de la lumière verte peut même être sensible. Les quantités de lumière bleue et verte qui sont diffusées sont telles qu'elles manquent visiblement dans la couleur de notre étoile. Voilà pourquoi le soleil apparaît rouge au lever ou au coucher. Ce phénomène peut être fortement accentué par la présence de fines poussières (dimensions inférieures au micromètre).

...parfois le ciel est blanc...

Dans le paragraphe précédent, nous avons considéré l'atmosphère de notre planète lorsqu'elle est pure, c'est à dire quand elle ne comporte pas de poussières ni de brume.

Notons au passage que la brume, le brouillard et les nuages sont constitués par des fines gouttelettes d'eau en suspension dans l'air. Elles ont un diamètre compris approximativement entre 0,1 et 60 micromètres.

La diffusion de Mie

Quand leur taille est grande devant les longueurs d’onde de la lumière visible, c'est à dire quand elle est supérieure a un demi-micromètre, les gouttelettes et les poussières provoquent une diffusion d'un autre type, on parle de la diffusion de Mie.

L'expression de la diffusion de Mie est différente selon qu'elle est provoquée par un corps transparent (gouttes d'eau) ou par un corps opaque (poussières) mais elle ne dépend pas (ou très peu) de la longueur d'onde de la lumière. Ainsi, si la lumière incidente est blanche, la lumière diffusée sera blanche aussi.

La diffusion de Rayleigh se répartit dans toutes les directions alors que la diffusion de Mie, selon les circonstances, sera plus ou moins concentrée autour de la direction de la source lumineuse.

Contrairement à ce qui se passe dans le cas de la diffusion de Rayleigh, la diffusion de Mie peut s'accompagner de la disparition complète de l'image du Soleil. C'est ce qui se passe avec les nuages quand ils nous masquent complètement l'astre du jour.

...et quelquefois le ciel est rouge

Le ciel est rouge
Figure 2 : Coucher de Soleil sur la grande Candelle par Olivier LEMAIRE.

La diffusion de Rayleigh colore le ciel en bleu et la diffusion de Mie explique la couleur blanche des nuages, alors pourquoi le ciel apparaît parfois rouge?

Nous avons vu que la diffusion de Mie ne favorise pas de couleur particulière, la teinte qu'elle disperse est celle de la source de lumière. Or dans certaines circonstances, la lumière du soleil est rougie plus ou moins fortement par la traversée de l'atmosphère. Cela se produit au lever ou au coucher de l'astre du jour. Cette lumière rouge éclaire les nuages ou la brume et elle colore le ciel que nous voyons alors rouge. L'intensité de cette coloration varie dans de grandes proportions d'un jour à l'autre car elle dépend des conditions météo et de la présence de poussières dans l'air.

La dispersion de fines poussières dans notre atmosphère par certaines éruptions volcaniques importantes a provoqué des spectaculaires couchers de Soleil dans le monde entier pendant les mois ou les années qui les ont suivies.

Quelle couleur devrait avoir le ciel de Mars?

Voyons tout d'abord quelques caractéristiques de la planète Mars et de son atmosphère en comparaison avec notre Terre.

Terre
Mars
Diamètre équatorial 12756 km 6794 km
Gravité à la surface 1 0,38
Température moyenne à la surface 15°C -63°C
Pression atmosphérique moyenne 1013 hPa 7 hPa
Composition de l'atmosphère Azote : 78%
Oxygène : 21%
 
Gaz carbonique : 95%
Azote : 2,7%
Argon : 1,6%

L'atmosphère de Mars est donc beaucoup moins dense que celle de la terre. Sa pression au sol est inférieure au centième de celle de la Terre.

L'observation télescopique ainsi que les informations rapportées par les sondes spatiales nous indiquent que l'atmosphère martienne contient parfois des brumes ou de très rares nuages et qu'elle transporte quelquefois des poussières en grande quantité.

Nous pouvons donc prévoir que le ciel doit apparaître sur Mars avec des teintes appartenant à une palette de bleus plus ou moins pâles et peut-être avec une teinte rose aux moments du lever et du coucher du Soleil.

La polémique

Contrairement à notre attente, sur les clichés rapportés par les sondes martiennes et présentés par la NASA le ciel apparaît souvent avec une teinte rosée, rougeâtre ou orange...

Quel phénomène physique pourrait expliquer cette couleur curieuse et variable? Voici quelques arguments qui nous aideront à méditer sur ce sujet.

Certaines personnes pensent que cette couleur du ciel martien est provoquée par la couleur des poussières transportées par l'atmosphère. A cette idée, j'oppose deux arguments :

La NASA est le seul organisme de recherche qui fournit des clichés du ciel martien (à ce jour). Dans la plupart des clichés en couleurs des paysages martiens qu'elle présente sur son site Internet, le ciel apparaît rouge-orangé. Il est curieux de constater que les rares clichés qui présentent un ciel bleu ou blanc sont généralement accompagnés par l'indication "false color" ce qui signifie "fausses couleurs"...
Voici quelques exemples :

Mais il est déroutant de trouver sur d'autres pages des clichés de Mars avec un ciel bleu :

Par ailleurs, le site Nirgal présente un récit rocambolesque sur l'origine des couleurs du ciel de Mars telles qu'elles apparaissent sur les clichés de la NASA. Dans un article sur la couleur du ciel martien, l'auteur de ce site nous explique que cette couleur saumonée du ciel de Mars ne serait pas "naturelle" car elle serait provoquée sciemment par les techniciens de la Nasa pour une raison très éloignée de la recherche de la vérité scientifique... Je vous encourage vivement à prendre connaissance de cet article, il est édifiant!

Le point de vue du photographe

Une photographie couleur doit restituer l'apparence de l'image qu'elle mémorise notamment en ce qui concerne la couleur. Pour restituer fidèlement cette sensation, le photographe doit tenir compte des caractéristiques de l'œil humain.

Comme nous l'avons déjà exposé dans une autre page de ce site consacrée à la vision, lors de la vision diurne, l'œil humain utilise trois types de cellules qui sont sensibles respectivement aux couleurs bleu, vert et rouge. Chaque perception d'une couleur est donc un mélange des trois sensations. Ainsi, puisque le blanc contient à égalité chacune de ces trois couleurs, la sensation de blanc correspond à un équilibre de ces trois sensations.

Si une de ces trois couleurs fondamentales est prépondérante dans la scène observée, on dit qu'elle est dominante. Il est intéressant de remarquer que, à moins qu'elle ne soit excessive, cette couleur dominante ne trouble pas notre perception car notre cerveau l'élimine. Nous pouvons constater ce fait quand, en étant à l'ombre, nous sommes éclairés seulement par le bleu du ciel. Dans ce cas, notre vision compense la dominante bleue et nous avons la sensation de voir les couleurs des objets qui nous entourent aussi bien que s'ils étaient éclairés par une lumière blanche.

Nous constatons aussi cet effet lorsque nous employons un éclairage artificiel qui n'est pas parfaitement blanc. C'est le cas avec les ampoules à incandescence qui donnent une lumière à dominante rouge. Par ailleurs, les tubes fluorescents présentent des couleurs dominantes diverses en fonction de leur fabrication. A cette diversité d'éclairages s'ajoute la couleur de l'environnement (des murs par exemple) qui va colorer diversement la lumière ambiante. Ainsi, en observant de nuit et depuis l'extérieur les fenêtres d'un immeuble, on constate aisément que l'éclairage des appartements présente une grande diversité de couleurs dominantes. Et pourtant, chacun des habitants est persuadé d'être éclairé par une lumière blanche.

Pour un bon rendu des couleurs, une photographie ne doit pas comporter de dominante indésirable. C'est pour cela que les (bons) appareils photo numériques compensent automatiquement la couleur dominante au moment de la prise de vue. Dans le cas de la photographie argentique, la couleur dominante est éliminée automatiquement par la machine qui effectue le tirage sur papier.

Il faut noter que cette élimination automatique n'est pas toujours souhaitable. C'est notamment le cas pour la photographie astronomique...

Toutefois, pour la photographie des paysages, la couleur dominante doit généralement être éliminée.

Les clichés suivants illustrent la même scène mais celui de gauche présente une dominante orange (rouge + jaune).

Cliché avec dominante orange et sans dominante

Le panneau photographié est supporté par un poteau de couleur grise, sa couleur doit donc être grise sur le cliché. C'est le cas avec la photographie de droite, ce qui confirme bien son équilibre chromatique.

Des logiciels spécialisés dans l'édition des images permettent de corriger les photos et de supprimer leur couleur dominante (Moi-même, j'utilise pour cela le logiciel Paint Shop Pro).

Les personnes qui ne sont pas familiarisées avec les techniques de la photographie se demandent parfois si ce traitement n'est pas en quelque sorte "une tricherie" pour améliorer l'esthétique des photos. Cette réaction est bien naturelle mais il faut se rappeler que notre vision fait spontanément la même chose. C'est pour cela qu'un cliché dont les couleurs sont mal équilibrées peut sembler intuitivement mauvais. Dans ce cas, un rééquilibrage des couleurs améliore nettement l'aspect du cliché.

Pour garantir la fidélité dans la reproduction des couleurs il est souhaitable (si c'est possible) de placer une charte témoin dans le champ de la photo. Il s'agit d'une planche sur laquelle on a disposé des plages de gris et de couleurs bien calibrées. Ensuite, il suffit de faire en sorte que ces plages soient correctement reproduites sur le cliché. Cette méthode permet une reproduction des couleurs d'excellente qualité mais on ne peut pas toujours disposer une charte de couleurs dans le paysage que l'on photographie...

Je vous propose maintenant d'appliquer la technique de suppression de la couleur dominante aux clichés de Mars qui sont publiés sur le site de la NASA. Le tableau suivant montre dans chacune des deux colonnes à gauche les clichés originaux et à droite les mêmes clichés après que j'ai éliminé leur couleur dominante et corrigé leur contraste. Un clic sur un cliché de gauche vous conduira sur la page du site de la NASA duquel je l'ai extrait.

Couleurs originales

Spirit's West Valley Panorama (Approximate True Color)
Dominante supprimée

Couleurs originales

Pathfinder's Rocky Terrain
Dominante supprimée

Couleurs originales

Panorama of Phoenix Landing Area Looking Southeast
Dominante supprimée

Couleurs originales

D-Star Panorama by Opportunity
Dominante supprimée

Couleurs originales

Opportunity's Second Martian Birthday at Cape Verde
Dominante supprimée

Couleurs originales

Viking 1 panorama of the Martian surfac
Dominante supprimée

Couleurs originales

Phoenix's Solar Panel and Robotic Arm
Dominante supprimée

Couleurs originales

Southern Half of Spirit's 'Bonestell' Panorama
Dominante supprimée

Couleurs originales

Gel sur Mars
Dominante supprimée

Couleurs originales

Panorama vu par Opportunity
Dominante supprimée

© NASA / JPL

Nous pouvons constater sur les photos originales qu'une couleur dominante est généralement bien perceptible. Après élimination de cette dominante, le ciel de Mars apparaît blanc ou bleuâtre.

Ce résultat, en contradiction avec les couleurs usuellement indiquées par la NASA, ne nous permet toutefois pas de conclure avec certitude sur la couleur du ciel de Mars à cause des raisons suivantes :

6 août 2012 : Curiosity se pose sur la planète Mars.

Dans le cadre de sa mission "Mars Science Laboratory", la NASA a déposé sur Mars le rover Curiosity. A ce jour, il s'agit du plus gros véhicule d'exploration qui a été envoyé sur cette planète.

Le site web de la NASA présente de nombreuses photographies obtenues par ce laboratoire ambulant. Peu d'entre-elles, montrent le ciel mais quand c'est le cas, celui-ci apparaît moins souvent avec des couleurs chaudes (rouge, orange...). Sur les clichés pris par Curiosity, le ciel martien est souvent bleu ou blanc-bleuté et l'indication "false color" est exceptionnelle.

Je note aussi que les couleurs de ces clichés avec un ciel bleu sont relativement bien équilibrées. Un rééquilibrage avec Paint Shop Pro n'apporte pas d'amélioration sensible.

Paysage martien vu par Curiosity
Voici un paysage martien tel qu'il a été photographié par Curiosity le 23 Août 2012.
Comme sur la plupart des clichés de Curiosity qui sont exposés sur le site web de la NASA, on peut constater que la couleur du ciel n'est plus Orange.
Un clic sur le cliché vous amènera sur la page web de la NASA qui présente cette photographie.
Paysage martien vu par Curiosity
Voici un paysage martien tel qu'il a été photographié par Curiosity le 9 septembre 2015.
Il présente un magnifique ciel bleu et il n'est fait aucun commentaire sur ses couleurs. Pourtant de nombreux clichés au ciel orangé ont été publiés depuis le cliché précédent du 23 Août 2012.
Un clic sur le cliché vous amènera sur la page web de la NASA qui présente cette photographie.

Il est quand même surprenant de constater que les vues d'artiste (c'est à dire des dessins) représentant Curiosity le montrent en train de déambuler sous un ciel orange...

Finalement, quelle est la véritable couleur du ciel de Mars?

Après notre analyse, nous concluons que les couleurs apparaissant sur la plupart des clichés de Mars exposés par la NASA ne sont pas celles qu'un être humain aurait perçues sur place.

Même si nous ne pouvons pas rigoureusement gommer toutes nos incertitudes sur la couleur du ciel de Mars, nous constatons que rien dans les clichés de la NASA ne nous empêche de penser que la couleur du ciel de Mars appartient à la gamme des teintes bleues et blanches (en dehors des levers et couchers de Soleil).

Je vous recommande de lire le livre de vulgarisation de George GAMOW "Un, deux, trois... l'infini".

Je vous recommande aussi de visiter les pages web de la NASA ainsi que le site Marsrovers Images de Damia BOUIC qui s'est spécialisée dans l'imagerie martienne.