Pourquoi le ciel est-il bleu et le soleil couchant rouge ?

La couleur du ciel vient de la manière dont les rayons du soleil sont transmis par l'atmosphère terrestre.

La magnétosphère arrête les particules ionisées du soleil, l'atmosphère arrête les ultraviolets grâce à la couche d'ozone et les infrarouges grâce à l'humidité de l'air mais elle laisse passer la lumière blanche.

La lumière blanche

La lumière blanche produite par le soleil est constituée de l'ensemble de toutes les couleurs dont la somme forme le blanc (on parle de synthèse additive des couleurs). Les photons - petites particules de lumière - transportent chacun une couleur déterminée. Comme ils sont produits dans les mêmes proportions et au même instant, les photons se mélangent pour former la lumière blanche. Un photon peut être considéré comme une particule ou bien comme une onde (on parle de dualité onde-corpuscule). Une onde se caractérise par sa longueur d'onde. Le bleu a une longueur d'onde de 446 nm (446 nanomètre c'est-à-dire 10^-9 mètre ou encore 0,000000001 mètre) alors que le rouge possède une longueur d'onde de 750 nm. Ainsi à chaque couleur est associée un longueur d'onde particulière.

Le spectre de la lumière blanche est un dégradé continu
 d'une infinité de couleurs. N'est représenté ici que le
 domaine visible du spectre. L'usage veut qu'il
soit constitué de 7 couleurs principales. 

Diffusion de Rayleigh

Les lois de Rayleigh nous apprennent que les particules diffusent les ondes dont la longueur est plus petite que la taille de ces mêmes particules, c'est-à-dire que les ondes rebondissent successivement sur les molécules d'air. L'intensité de la couleur diffusée est inversement proportionnelle à la puissance quatrième de sa longueur d'onde. Or les molécules de l'atmosphère : oxygène, azote et poussières sont d'une taille proche de les longueurs d'ondes lumineuses. Les photons transportant le bleu sont fortement diffusés par l'atmosphère alors que le rouge ne l'ai pas.

Intensité de diffusion du bleu : Ib = 1/(446 * 10^-9)⁴ = 2.52*10²⁵ 
Intensité de diffusion du rouge : Ir = 1/(750 * 10^-9)⁴ = 3.16*10²⁴ 
Le rapport des deux : Ib/Ir = 8 
Donc la couleur bleu est 8 fois plus diffusée que le rouge.

Lorsqu'on regarde le ciel, la lumière qui parvient à notre oeil a deux origines distinctes : l'une provient directement du soleil en ligne droite et l'autre suit un parcours chaotique totalement désordonné et imprévisible (on appelle cela un mouvement brownien) puisque diffusée par l'atmosphère : le bleu nous viens donc de partout. La première est blanche et provoque des ombres crues à cause de sa trajectoire droite provenant du soleil alors que l'autre est dominée par le bleu et ne provoque pas d'ombre car nous arrive de toutes les directions : le ciel. C'est donc la raison de la couleur bleu du ciel.

Soleil couchant

La lumière qui nous arrive du soleil couchant parcours une bien plus longue distance dans l'atmosphère avant de nous arriver, le nombre de molécules sur lesquelles rebondir augmente considérablement : les couleurs bleu et violettes ont eu le temps d'être complètement diffusées. Ainsi, en l'absence des composantes bleu et violet, il ne reste que du jaune et du rouge avec un peu de vert dans le ciel, ce qui lui donne cette teinte pourpre.

 Lors d'un couché de soleil, les rayons du soleil parcourent
une plus grande distance : la diffusion est plus importante.
 Une plus grande partie du spectre lumineux est diffusé :
 violet, bleu et vert sont totalement dissipés. Il ne reste
 plus que les composantes rouges et jaunes.

En altitude

Sur Terre, en altitude, la couche d'atmosphère est plus mince ce que réduit la diffusion de la lumière blanche. La lumière diffuse constituant le ciel est moins importante, il nous apparaît alors plus foncé. Alors qu'au niveau de la mer, la diffusion plus importante éclairci le ciel : le bleu est plus diffusé et le vert un petit peu aussi.

Et sur la Lune

La lune ne possédant pas d'atmosphère (sa faible masse ne lui permit pas d'exercer une attraction de pesanteur suffisante pour retenir les gaz qui s'en échappaient), la lumière du soleil ne subit aucune diffusion. Cette absence de couleur se traduit par un ciel noir dans lequel se détache très visiblement quelques étoiles dont la lumière directe ne subit aucune diffusion.