Sciences

La lumière dans la mer

Dossier - Le milieu marin : propriétés physiques
DossierClassé sous :physique , océanographie , son

-

L'océanographie physique, c'est l'étude des mouvements dans les océans, à toutes les échelles, des courants océaniques, jusqu'aux vagues en passant par les courants côtiers et les courants de marée.

  
DossiersLe milieu marin : propriétés physiques
 

Les longueurs d'onde de la lumière visible vont de 0,4 mm (violet) à 0,7 mm (rouge), la correspondance entre fréquences et couleurs est donnée approximativement dans le tableau suivant :

Figure 3.9 : Evolution du spectre de la lumière naturelle dans l'atmosphère et dans l'eau (dans le cas d'une eau très claire)

La lumière en provenance du soleil est atténuée par l'atmosphère avant d'atteindre la surface de l'eau (figure 3.9) ; sous l'eau on constate que l'atténuation est considérable, les infrarouges sont absorbés dans le premier mètre et peu de lumière atteint les 100 mètres. Au delà de 1000 mètres c'est la nuit noire.

Comme dans tous les milieux deux phènomènes contribuent à l'atténuation de la lumière : L'absoption et la diffusion.

L'absoption de la lumière dans la mer c'est l'absorption de l'énergie des photons par transition de niveau d'énergie des atomes et des molécules constituants l'eau de mer. Les différentes concentrations de ces constituants et les différents niveaux d'énergie excitables déterminent la façon dont les différentes longueurs d'onde composant le spectre de la lumière sont absorbées. Du fait de la grande variété des constituants de l'eau de mer, l'analyse théorique de l'interaction entre la lumière et chacun de ces constituants est pratiquement impossible. Cela nous conduit à ne considérer que les constituants pour lesquels un effet sur le spectre d'absorption a été mis en évidence expérimentalement.
Le premier constituant de l'eau de mer c'est l'eau ! L'eau pure est pour la lumière un milieu très absorbant, en particulier pour les infrarouges. Au second rang, du point de vue de l'absorption on trouve les substances organiques en suspension. Par contre, la plupart des substances composant le sel marin ont peu d'effet sur l'absorption de la lumière dans l'eau. Il n'y a pratiquement pas de différence entre le spectre d'absorption d'une eau de mer très claire et celui de l'eau distillée.

La diffusion de la lumière est un phénomène physique que l'on rencontre lorsque des inhomogénéités optiques du milieu provoquent des changements aléatoires de la direction des rayons lumineux. Cela est dû par exemple à la présence de particules en suspension ou de particules constituées de molécules d'eau de densité différente du milieu environnant. Pour les grosses particules la diffusion est le résultat de la réflexion, réfraction et diffraction par de telles particules. Lorsque les dimensions des particules sont inférieures à la longueur d'onde considérée, comme c'est fréquemment le cas pour l'eau de mer, l'optique géométrique ne suffit plus à expliquer la diffusion et il faut faire appel à la théorie des ondes électromagnétiques

L'atténuation de la lumière sous l'eau est essentiellement due à l'absorption, la diffusion ayant une moindre importance. Cette atténuation est fonction de la longueur d'onde et des caractéristiques physiques et chimiques de l'eau de mer. Cette propriété optique apparente de l'eau de mer permet de la caractériser et donne des informations sur la densité, les concentrations des matières en suspension et la productivité biologique.

Pour un éclairement naturel de la mer par le soleil, l'intensité lumineuse à une longueur d'onde donnée varie en fonction de la profondeur suivant la loi :

Figure 3.10 : Evolution du coefficient d'atténuation en fonction dela longueur d'onde et énergie relative (100% à la surface) pour une eau claire et pour une eau trouble riche en matières organiques

La figure 3.10 représente l'évolution du coefficent d'atténuation verticale de l'eau de mer en fonction de la longueur d'onde.

Figure 3.10 : Evolution du coefficient d'atténuation en fonction dela longueur d'onde et énergie relative (100% à la surface) pour une eau claire et pour une eau trouble riche en matières organiques. On observe une atténuation beaucoup plus importante pour les eaux cotières riches en suspensions d'origine organique. Dans l'eau claire l'atténuation est minimale pour la couleur bleue, alors que dans l'eau trouble elle est minimale pour les couleurs verte et jaune
  • Les couleurs de la mer

La couleur de la mer s'étend du bleu au vert. Le bleu indigo caractérise les mers tropicales et équatoriales, lorsqu'il y a peu de production biologique. A des latitudes plus grandes, la mer est bleu-vert voir verte dans les régions polaires. Les eaux côtières sont en général verdâtres.

Il y a deux facteurs contribuant à la couleur bleu de l'océan aux faibles latitudes, lorsqu'il y a peu de production biologique. En eau profonde, lorsque l'on regarde sous l'eau, la lumière que l'on voit est celle diffusée par les molécules d'eau. La diffusion étant plus importante pour les petites longueurs d'onde (bleu) que pour les grandes longueurs d'onde, l'eau parait bleue. De plus les composantes rouges et jaunes de la lumière solaire sont absorbées en quelques mètres, la seule composante susceptible d'être diffusée est donc le bleu.

Dans les régions où la productivité biologique est importante, la chlorophylle contenue dans le phytoplancton absorbe la composante bleue et la lumière se décale vers le vert.

  • La mer vue de l'espace
Figure 3.11 : pourcentage de lumière émise par les couches supérieures de l'océan en fonction de la longueur d'onde (en gras les longueurs d'ondes observées par le satellite Nimbus-7 de la NASA)-(A) océan clair (faible concentration de phytoplancton) - (B) concentration modérée de phytoplancton en pleine mer - (C) zone côtière contenant des sédiments et du phytoplancton

La mesure de la lumière émise par l'océan (réflexion et rétrodiffusion) à certaines longueurs d'onde donne des informations quantitatives sur la teneur en éléments organiques et autres matériaux en suspension des couches de surface. L'interprétation de ces mesures apporte des résultats importants pour l'étude de la photosynthèse et donc du cycle du carbone, sur l'interaction du vent et des courants avec la biologie de l'océan ainsi que sur l'influence de l'activité humaine sur l'environnement océanique.

Figure 3.12 : intensité de la lumière rétrodiffusée en Méditerranée. Noter la faible activité biologique en comparaison avec la côte atlantique (source : Goddard Space Flight Center)