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Les lois de l'optique dans le milieu aquatique se caractérisent par une série de phénomènes touchant la propagation de rayons lumineux dont les conséquences conditionnent la vision dans l'eau. :

LA LUMIÈRE

La lumière se propage en ligne droite à la vitesse de 300 000 km/s dans le vide absolu (V)
 
Dans un milieu plus dense, elle se propage moins vite.On appelle sa vitesse : célérité (C)
Le rapport entre la célérité (C) et la vitesse (V) dans un milieu est égale à une constante N qui est caractéristique du milieu et qui est son indice de réfraction :
C =N/V

Voici quelques indices :

Air : n = 1.0003 = 1
Eau : n = 1.33 = 4/3
Verre : n = 1.52
Diamant : n = 2.4

La lumière blanche est un mélange de plusieurs couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet.

L'indice de réfraction pour un milieu donné , dépend aussi de la couleur de la lumière. Ainsi, les indices de réfraction de l'eau le bleu, le vert, le jaune et le rouge sont légèrement différents et c'est là l'origine de l'arc en ciel.

Lorsqu'elle pénètre dans l'eau , la lumière est soumise à plusieurs phénomènes : 

La réfraction et la réflexion       La diffusion et l'absorption

LA RÉFRACTION - LA RÉFLEXION

On appelle réfraction, la déviation que subit le rayon lumineux en passant d'un milieu à un autre d'indices de réfraction différents.

Chaque rayon lumineux, quand il frappe la surface de l'eau, subit deux phénomènes :

- une petite partie du rayon est réfléchit
- la plus grande partie du rayon est réfractée

Le rayon réfracté est dévié de la verticale à son entrée dans l'eau. Le rayon arrive sur la surface de l'eau suivant un angle "i" qui est l'angle d'incidence; il se réfracte sous la surface suivant l'angle de réfraction "r".

D'où la règle de Descartes :

Le rayon incident, le rayon réfléchi, le rayon réfracté et la normale à la surface de séparation au point d'incidence sont dans un même plan. Le rayon réfléchi est symétrique au rayon incident par rapport à cette normale.

Les angles d'incidence i et de réfraction r sont liés par la relation :

n1 SIN i = n2 SIN

où n1 et n2 sont les indices de réfraction

absolue par rapport au vide des deux 

milieux considérés.

(SIN a = coté opposé/ hypoténuse = AH/OA)

i = angle d'incidence
r = angle de réfraction

Exemple :
Rayon frappant l'eau perpendiculairement à la surface => i = 0°

n1 SIN i = n2 SIN r => SIN r = 1 * SIN 0 / 1.33 => SIN r = 0°
Le rayon ne se réfracte pas, il poursuit sans déviation.

Exemple :
Rayon frappant l'eau perpendiculairement à la normale => i = 90°

n1 SIN i = n2 SIN r => SIN r = 1 * SIN 90 / 1.33 => SIN r = 1/1.33 = 0.751
d'où r = 48°35'
( l'angle dont le sinus = 0.751 est un angle de 45°35')

En sens inverse eau - air , le rayon lumineux suit le même chemin. Une partie du rayon est réfléchie sous la surface et l'autre est réfractée suivant la règle de DESCARTES.

Mais si l'angle d'incidence est supérieur à 48°35', il y a totale réflexion du rayon sous la surface sans aucune réfraction.

Mais pourquoi le regard de l'homme immergé est-il obligé de passer par un milieu aérien ?

Parce que la convergence de ce dioptre courbe (système optique constitué par deux milieux transparents, homogènes et d'indices de réfraction différents et séparés par une surface plane) que constitue l'oeil humain est adapté à ce milieu pour que l'image reçue se projette bien sur la rétine.

La différence entre l'indice de réfraction de l'air et de la cornée est de 0.377, la puissance de l'oeil est de 60 dioptries.

La différence entre l'indice de réfraction de l'eau et de la cornée est de 0.044, la convergence de l'oeil n'est plus que de 18 dioptries, l'image se forme derrière la rétine : elle est floue

(dioptrie : unité de vergence du système optique)

Le masque corrige cette énorme hypermétropie au prix de quelques inconvénients :

Réduction du champs de vision

Le champs de vision du plongeur, lorsqu'il pénètre sous la surface de l'eau, est réduite. De la formules de DESCARTES, on peut déduire que l'angle r est supérieur à l'angle i, de sorte que les rayons émergeant de l'eau ont tendance à s'écarter de l'axe perpendiculaire à la surface. C'est ce qui se passe pour le champs de vision d'un plongeur muni de son masque et étant immergé.

Angle limite de réflexion totale

Si l'angle i est tel que l'on ait : n SIN i > 1, alors il n'y a plus de rayon réfracté, et la lumière ne sort plus de l'eau mais est réfléchie, comme sur un miroir. Cela se produit lorsque le rayon incident dans l'eau est supérieur à 48°35'.

( car SIN 48°35' = 1/n = 3/4 ).

En revanche, la lumière peut toujours pénétrer de l'air dans l'eau.

Déformation des images

Soit un point P situé dans l'eau, et un observateur dans l'air, au dessus de P. Du point P partent des rayons lumineux dans toutes les directions. Seuls les rayons faiblement inclinés par rapport à la verticale parviennent à l'oeil de l'observateur; nous ne considérons qu'eux; soit un rayon PM.

Comme il obéit à la loi de DESCARTES, l'observateur a l'impression que tous les rayons proviennent d'un point P', se trouvant à distance de la surface égale à : HP' = HP / n et HP' < HP => rapprochement

On dit que P' est l'image de P à travers le dioptre plan que constitue la surface de séparation air - eau. Ainsi, tout objet vu à travers un dioptre plan air - eau va donner une image optique qui aura un grandissement transversal = 1 et un grandissement longitudinal = 3/4.

Ainsi, l'image est rapetissée dans le plan longitudinal. Mais elle semble agrandit parce qu'elle est vue sous un angle plus grand, il y a un grossissement angulaire et ce uniquement à cause du rapprochement et du non grandissement transversal.
L'image parce qu'elle est rapprochée, occupe un espace plus grand dans le champs de vision du plongeur.

LA DIFFUSION ET L'ABSORPTION

Les particules en suspension dans l'eau modifient la trajectoire du rayon lumineux par réfraction ou bien le réfléchisse. La diffusion participe à la diminution progressive de la lumière.

Le rayon lumineux, une fois entré dans l'eau, a une perte rapide et exponentielle de son intensité lumineuse, son énergie se trouvant transformée en chaleur.

En outre, la diffusion participe à l'extinction de la lumière dont en mer, il ne subsiste que :

40% à -1 m 14% à - 10 m 7% à - 20 m 1.5% à - 40 m

A coté de cette extinction progressive, se produit un autre phénomène qui entraîne une modification de la composition spectrale de la lumière d'où une modification de la vision des couleurs, c'est absorption sélective.

Les radiations qui composent le spectre solaire sont progressivement absorbées dans l'ordre des longueurs d'ondes élevées (infrarouge, rouge ,...) aux longueurs d'ondes faibles (bleu, vert...).

La mer se comporte comme un filtre et les couleurs disparaissent une à une avec la profondeur :

le rouge disparaît à 5 m

l'orange entre 10 et 15 m

le jaune entre 15 et 25 m

le violet après 20 m

le vert après 60 m

au delà reste le bleu

extinction totale vers 400 m

En fait, l'absorption et l'absorption sélective ne sont pas fonction de la profondeur mais de la longueur de trajet du rayon lumineux dans l'eau. C'est pour cela que l'éclairage artificiel restitue aux objets leurs couleurs.

LES CONSÉQUENCES EN PLONGÉE

Modification apparente des images :

- grossissement des objets de 1/3
- réduction du champs de 1/4
- raccourcissement de la distance de 1/4
- réduction de la profondeur de champs de 1/4

Disparition progressive des couleurs et de la lumière