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Le rayonnement thermique et les longueurs d'onde

Dossier - Vision : d'où viennent les superpouvoirs de Superman ?
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Vision nocturne, vision laser et microscopique... Superman peut-il réellement avoir ces pouvoirs ? La physique nous répond.

  
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Toute matière dont la température est supérieure au zéro absolu (-273,15 degrés celsius) émet des ondes électromagnétiques qui forment le rayonnement thermique.

Aurore boréale en Alaska. © Joshua Strang Domaine public

À elle seule, la température fixe la puissance rayonnée par un corps, proportionnelle à la puissance quatrième de la température absolue. Ainsi, un corps dont la température est de 600 kelvins (soit environ 327 degrés) rayonne une puissance lumineuse seize fois (24) plus importante qu'un autre à température ambiante (300 kelvins soit environ 27 degrés). Ce rayonnement thermique est composé de toutes les longueurs d'onde, quoiqu'en quantités inégales.

Le spectre lumineux rayonné par un corps ne dépend que de sa température ; l'énergie émise est d'autant plus importante que le corps est chaud. De plus, la couleur associée au maximum de l'émission se décale vers le rouge quand la température diminue. © DR

La répartition de l'énergie émise entre les différentes longueurs d'onde présentes ne dépend que de la température. Selon la loi découverte en 1893 par le physicien Wilhelm Wien (1864-1928), le maximum d'émission se fait pour une longueur d'onde inversement proportionnelle à la température absolue. Autrement dit, un corps émet l'essentiel de sa lumière autour d'une longueur d'onde particulière, d'autant plus grande qu'il est plus froid. Notre principale source de lumière, le Soleil, émet son maximum de puissance pour la lumière visible jaune dont la longueur d'onde vaut environ 500 nanomètres ; cela correspond à une température de 5.770 kelvins. Notre vision, ainsi que celle de la plupart des animaux, est bien adaptée à la lumière solaire et a une sensibilité maximale précisément située dans la gamme de longueur d'onde où le Soleil rayonne le plus d'énergie. Quand la luminosité est suffisante, nous pouvons distinguer toutes les couleurs grâce aux cônes.

Le rayonnement des braises d'un feu est composé de lumière infrarouge. © Jens Buurgaard Nielsen, Domaine public

Le rayonnement des braises rougeoyantes d'une cheminée est essentiellement composé de lumière infrarouge dont la longueur d'onde est voisine de 3 micromètres. Avec une température de 750 degrés, les braises rougeoient, preuve qu'elles émettent aussi un peu de lumière visible. Lorsque la température devient inférieure à environ 500 degrés, il n'y a quasiment plus d'émission de lumière visible. C'est le cas de notre corps, qui avec une température de surface égale à environ 25 degrés, émet l'essentiel de sa lumière dans le domaine des infrarouges, vers 10 micromètres de longueur d'onde : nous sommes donc invisibles, à nos yeux, dans l'obscurité totale.