1La lumière se propage dans le vide à une vitesse c, appelée « vitesse de la lumière », valant très exactement 299 792,458 km/s. Quand une onde lumineuse rencontre un milieu matériel dense, comme l’eau liquide par exemple, sa vitesse de propagation se réduit par rapport à sa vitesse dans le vide, ce qui permet de définir l’indice optique de l’eau n, comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et dans l’eau. Ce changement de vitesse de la lumière provoque deux phénomènes à l’interface de passage entre les deux milieux : la réflexion et la réfraction. Après avoir pénétré dans l’eau, la lumière se propage en ligne droite, mais elle perd de l’énergie par absorption. La présence de particules dans l’eau (plancton, limons), mais aussi les molécules d’eau elles-mêmes, provoquent également une diffusion de la lumière.

Réflexion et réfraction

2Au changement de milieu, c’est-à-dire à l’interface entre l’air et l’eau, une partie de l’onde lumineuse est réfléchie (réflexion) et le reste de l’onde lumineuse pénètre dans le matériau (réfraction). Les lois de la réflexion et de la réfraction ont été formalisées par Descartes dès 1637.

3À cause de la diminution de la vitesse de la lumière dans l’eau par rapport à l’air, l’angle du rayon réfracté () est plus faible que l’angle du rayon incident () et les rayons lumineux se rapprochent de la direction normale* en pénétrant dans le liquide (figure 1a). Sur la figure 1b, cet effet donne l’impression que le crayon est coudé quand il plonge dans l’eau. Cette déviation du rayon lumineux au changement de dioptre est donc liée à l’indice optique de l’eau. Dans le domaine de la lumière visible* cet indice vaut de l’ordre de 1,33, mais il varie légèrement en fonction de la couleur du rayonnement : il est plus faible dans le rouge que dans le bleu. Cette petite variation d’indice en fonction de la longueur d’onde est à l’origine du phénomène des couleurs de l’arc-en-ciel, le rouge moins dévié étant à l’extérieur de l’arc tandis que le bleu plus dévié se retrouve à l’intérieur.

Fig. 1 – a) Déviation de la lumière au changement de dioptre (air/eau). b) Illustration optique du phénomène de réfraction, la partie du crayon immergée semble brisée par rapport à la partie émergée

4La partie du rayonnement lumineux qui est réfléchie est faible, de quelques pourcents dans le visible, la plus grande partie du rayonnement lumineux visible pénètre donc dans l’eau. L’albedo*, c’est-à-dire la quantité d’énergie du rayonnement solaire renvoyée vers l’espace (dans le visible, l’ultra-violet et l’infrarouge) est de l’ordre de 15 % pour l’eau liquide, alors qu’il varie entre 70 et 90 % pour la glace et la neige. Ainsi, chaque mètre carré d’eau libre qui remplace de la banquise fondue absorbe 200 watts en moyenne annuelle de plus provenant du rayonnement solaire.

Absorption

5La lumière, en se propageant dans l’eau, va interagir avec les électrons et les ions qui la composent et transférer une partie de son énergie à la matière, essentiellement sous forme d’énergie thermique. Ce phénomène d’absorption varie beaucoup en fonction de la longueur d’onde du rayonnement lumineux. La figure 2 représente la profondeur de pénétration du rayonnement solaire dans de l’eau pure, définie comme la profondeur à laquelle il ne reste plus que 1 % de l’énergie incidente. L’infrarouge, qui représente plus de la moitié de l’énergie du rayonnement solaire, est absorbé très vite, dans les premiers centimètres, ce qui explique que le rayonnement solaire ne chauffe l’eau des océans qu’en extrême surface (entre 10 et 100 m pour une profondeur moyenne des océans de 3 800 m). En ce qui concerne le spectre de la lumière visible, le rouge s’atténue au bout de quelques mètres et, au-delà de dix mètres, il ne reste plus que du vert et du bleu, qui devient de plus en plus foncé au fur et à mesure de la descente. En dessous de 100 m, la quantité de rayonnement solaire qui parvient à cette profondeur est négligeable et uniquement constituée de rayonnements bleus : c’est le domaine du « grand bleu ». L’ultraviolet solaire, quant à lui, est absorbé aussi dès les premiers mètres et ne pénètre pas en profondeur, ce qui a protégé les premières formes de vie organiques apparues dans l’eau, avant que l’augmentation du taux d’oxygène ne mette en place la couche d’ozone, qui, actuellement, protège aussi les organismes terrestres des ultraviolets nocifs du soleil.

Diffusion

6En se propageant dans un système matériel comme l’eau, la lumière est soumise à un autre type d’interaction : la diffusion. Les molécules d’eau se comportent comme de minuscules diffuseurs qui deviennent une partie du rayonnement lumineux dans toutes les directions. Ce phénomène a été expliqué par Lord Rayleigh (prix Nobel de Physique en 1904) en 1871. Dans le régime de Rayleigh, qui s’applique quand les objets diffusants (ici, les molécules d’eau) ont une taille très inférieure à la longueur d’onde, la lumière est diffusée de manière isotrope (sans direction privilégiée) avec une intensité inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d’onde, ce qui veut dire que dans le domaine visible, le bleu est quatre fois plus diffusé que le vert et seize fois plus que le rouge. Ce même phénomène de diffusion est responsable de la couleur bleue du ciel.

7Cette diffusion se faisant dans toutes les directions, une partie de la lumière rebrousse chemin. Cette « rétrodiffusion » est responsable de la couleur perçue de l’eau. Dans une eau pure, seules les molécules d’eau diffusent la lumière et l’eau nous paraît donc bleue. La présence de matière biologique, comme le plancton, modifie la couleur perçue, car la chlorophylle à une absorption intense dans le bleu et capture donc tout le rayonnement bleu diffusé. L’eau apparaît alors beaucoup plus verte. La présence de particules en suspension, comme les limons, modifie aussi la couleur de l’eau, car ces particules diffusent fortement la lumière dans tout le visible et diminuent donc la profondeur de pénétration dans l’eau, jusqu’à moins d’un mètre dans des eaux très chargées. La mesure de la couleur des océans par satellite permet d’évaluer la richesse des eaux en plancton et de mesurer la turbidité* des eaux (cf. V.9).

Fig. 2 – Profondeur de pénétration du rayonnement solaire en fonction de sa longueur d'onde

8Ce sont donc les propriétés optiques de l’eau, et en particulier la diffusion de la lumière par les océans, qui donnent à notre planète l’aspect d’une « planète bleue », vue depuis l’espace.