Approche documentaire
Expliquer certaines propriétés optiques de l’atmosphère
(couleur du ciel, du Soleil couchant, polarisation) en lien
avec le thème du rayonnement dipolaire.
Document 1 :
La diffusion de Rayleigh :
Le champ électromagnétique d’une onde interagit avec les atomes et les molécules du
milieu qu’il traverse. Ces atomes ou molécules se comportent comme des dipôles oscillants et
émettent à leur tour une onde électromagnétique correspondant au champ du dipôle oscillant.
Cette onde étant émise dans des directions différentes de la direction excitatrice, on parle de
diffusion.
L’onde excitatrice peut par exemple être la lumière provenant du Soleil et le milieu
traversé l’atmosphère. La lumière que nous observons dans le ciel est la lumière diffusée par
les molécules composant l’atmosphère, excitées par le champ électromagnétique émis par le
Soleil. La diffusion de la lumière par des particules de taille très inférieure à la longueur
d’onde est appelée diffusion de Rayleigh.
Le modèle de l’électron élastiquement lié représente les électrons des molécules
comme des oscillateurs harmoniques pouvant être excités par un champ électrique et ayant
une fréquence de résonance située dans l’ultra-violet. La lumière a dans le visible une densité
spectrale d’éclairement à peu près constante. La fréquence de résonance étant en dehors du
domaine visible, on peut considérer que l’amplitude d’oscillation des dipôles est à peu près
la même pour toutes les pulsations du domaine du visible. Mais la puissance rayonnée par un
dipôle est proportionnelle à . Ainsi le rapport des puissances rayonnées à l’extrémité rouge
du spectre visible et à l’extrémité violette est
, ce qui explique que le ciel est bleu (l’œil est peu sensible au violet).
En revanche les nuages sont blancs car ils sont constitués de particules dont la taille
n’est pas petite devant la longueur d’onde et l’étude de la lumière diffusée ne suit plus le
cadre du modèle de Rayleigh. La diffusion de la lumière par des particules de taille supérieure
à est la diffusion de Mie.
En ce qui concerne la polarisation de l’onde diffusée, la propriété essentielle est que la
lumière est polarisée partiellement dans la direction perpendiculaire au plan de diffusion. En
effet la lumière émise par le Soleil n’est pas polarisée. Elle induit des dipôles oscillants dans
toutes les directions perpendiculaires à sa direction de propagation. Mais un dipôle ne donne
pas d’onde dans sa propre direction. Ainsi, si on regarde un ciel bleu dans une direction
orthogonale à la direction du Soleil, on voit de la lumière polarisée rectiligne.