Imaginez un crépuscule à Los Angeles : le labyrinthe d’autoroutes à huit voies de la ville est encombré de millions de voitures, les moteurs rotant des polluants dans l’air. Les gens dans ces voitures se noient peut-être dans une mer de smog, mais ils peuvent au moins se consoler en voyant un coucher de soleil écarlate embraser l’horizon.
Selon la légende urbaine, la pollution atmosphérique renforce la beauté d’un coucher de soleil. Et la pollution modifie effectivement l’aspect du coucher de soleil, mais savoir si elle le fait pencher du côté de la beauté est une question de goût personnel – et de la quantité globale de cette pollution dans l’air.
Que ce soit l’azur de midi ou la lueur orange du crépuscule, les couleurs du ciel résultent de l’interaction de la lumière du soleil avec les molécules de l’air, principalement l’azote et l’oxygène, qui la font dévier dans toutes les directions, un phénomène appelé diffusion de Rayleigh. Toutes les longueurs d’onde de la lumière sont diffusées, mais elles ne le sont pas de manière égale. Selon la loi de diffusion approximative de John W. S. Rayleigh, les couleurs ayant des longueurs d’onde plus courtes sont les plus diffusées : le violet, suivi du bleu, puis du vert, et ainsi de suite.
Pendant la journée, lorsque le soleil est directement au-dessus de nos têtes, la lumière ne parcourt qu’une courte distance à travers une section relativement plus mince de l’atmosphère. Mais à mesure que le soleil se rapproche de l’horizon, la lumière doit parcourir des trajets de plus en plus longs et est diffusée par un plus grand nombre de molécules d’air. Au moment où elle atteint la fin de ce voyage (nos yeux), « la plupart du bleu a été dispersé hors de ce faisceau », explique Stephen Corfidi, météorologue à la National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA). Ce qui reste, ce sont les teintes plus chaudes du jaune, de l’orange et du rouge, qui se fondent dans un coucher de soleil jaune-orangé.
Pour autant, la diffusion par l’azote et l’oxygène ne peut expliquer que la façon dont les couchers de soleil peuvent être orange et peut-être rougeâtres, et non comment le ciel peut rougir de rouge sang. « Dans une atmosphère dépourvue de déchets à tout moment, vous n’obtiendrez jamais un coucher de soleil qui ferait dire à une personne ayant une vision normale des couleurs : « Wow c’est rouge ! » », déclare Craig Bohren, professeur émérite de météorologie à l’Université d’État de Pennsylvanie. « Il est certainement vrai que la ‘pollution’ entraîne des couchers de soleil plus rouges. »
Pour obtenir un ciel rouge, il faut des aérosols, explique A. R. Ravishankara, directeur des sciences chimiques au laboratoire de recherche sur le système terrestre de la NOAA à Boulder, au Colorado. Les aérosols sont des particules solides ou liquides en suspension dans l’air qui proviennent à la fois de processus naturels et de l’activité humaine.
Les aérosols naturels proviennent entre autres des feux de forêt, de la poussière minérale soulevée par les tempêtes de sable, des embruns marins et des éruptions volcaniques. Les volcans, qui ont produit certains des couchers de soleil les plus spectaculaires de l’histoire, peuvent injecter des gouttelettes d’acide sulfurique dans la stratosphère, la couche de l’atmosphère située entre 10 et 35 miles d’altitude. Ces gouttelettes peuvent être balayées à travers le globe, peignant de brillants crépuscules cramoisis où qu’elles aillent. Après l’éruption du Krakatoa en Indonésie en 1883, de brillants couchers de soleil sont apparus dans le monde entier, dont l’un aurait inspiré le tableau de l’artiste norvégien Edvard Munch, Le Cri.
Mais « dans une grande ville, vous pouvez ignorer les produits aérosols naturels pour la plupart » car le nombre d’aérosols produits par l’activité humaine dépasse de loin les sources naturelles, explique Sergey Nizkorodov, chimiste à l’université de Californie à Irvine. Les aérosols d’origine humaine peuvent entrer directement dans l’atmosphère, comme c’est le cas de la suie émise par les moteurs à combustion interne des voitures et des camions, explique-t-il. Les aérosols sont également produits lorsque des molécules à l’état gazeux entrent dans l’atmosphère et réagissent avec d’autres produits chimiques, ajoute-t-il. Un cas classique : la combustion de combustibles fossiles libère du dioxyde de soufre gazeux dans l’air, qui se transforme ensuite en aérosols d’acide sulfurique.
La plupart des particules en suspension au-dessus des villes diffusent le rayonnement, éliminant préférentiellement les violets et les bleus plus froids de la palette spectrale et renforçant le rouge, explique Nizkorodov. En ce sens, ces particules diffusent la lumière à peu près de la même manière que les molécules d’oxygène et d’azote.
« Les molécules et les petites particules diffusent de la même manière tant que la particule est suffisamment petite, explique Bohren. Si la particule est petite par rapport aux longueurs d’onde de la lumière visible, elle diffusera davantage les courtes longueurs d’onde, comme les bleus et les violets, que les grandes longueurs d’onde, comme le rouge. De nombreux aérosols d’origine humaine sont suffisamment petits pour répondre à ce critère, ils contribuent donc aux couchers de soleil d’un pourpre profond de Los Angeles et d’autres villes polluées à travers le monde.
Cependant, « à un moment donné, la pollution atmosphérique est si mauvaise, et le ciel est si saturé, que vous ne voyez même plus le soleil clairement », dit Nizkorodov. Par exemple, le coucher de soleil peut apparaître lumineux mais délavé lorsque de grandes quantités de grosses particules s’accumulent dans la troposphère, la couche de l’atmosphère la plus proche du sol. Les aérosols dont la taille est proche ou supérieure aux longueurs d’onde de la lumière visible ont tendance à diffuser toutes les couleurs sans distinction, ce qui augmente la luminosité globale du ciel mais atténue le contraste des couleurs.
« Les particules de toute sorte, même beaucoup plus petites que la longueur d’onde de la lumière visible, rendront, en règle générale, le ciel plus lumineux mais au détriment de la pureté de ses couleurs », dit Bohren, notant que l’effet est plus prononcé lorsqu’il y a une forte concentration de grands aérosols. Ainsi, bien que les aérosols puissent rendre un coucher de soleil rouge, une pollution excessive atténuera également l’expérience globale du coucher de soleil. En fait, la transition du jour à la nuit pourrait être beaucoup plus pêchue – et plus saine – sans tous ces débris atmosphériques.