La lumière nous en fait voir de toutes les couleurs !

Une source de lumière peut être naturelle : le soleil, les étoiles, ou artificielle, c'est à dire avoir été conçue par l'homme pour émettre de la lumière : flamme d'une bougie, filament d'une ampoule, LED, etc. Un objet qui n'est pas source éclairante par lui même ne peut pas être vu en l'absence totale de lumière, mais dès qu'il est éclairé, il diffuse une partie de la lumière qu'il reçoit et se comporte alors comme une source de lumière secondaire. La lumière ne se propage pas instantanément entre la source et le récepteur, elle voyage à 300 000 km/seconde (célérité), la lumière met environ 8 minutes pour nous parvenir du soleil et plusieurs années pour venir des étoiles les plus proches (années lumières).

Dans un milieu transparent et homogène, la lumière s'y propage en ligne droite et tout objet placé dans son faisceau lumineux constitue un obstacle. Un objet est dit opaque lorsqu'aucune lumière ne peut le traverser, translucide lorsque la lumière qui le traverse est déviée n'importe comment (verre dépoli, papier calque), et transparent lorsque la lumière qui le traverse est déviée de manière régulière (vitre, eau). Lorsqu'un rayon lumineux passe obliquement d'un milieu transparent dans un autre, il subit un changement de direction ; la réfraction résulte du fait que la lumière ne se propage à la même vitesse dans tous les milieux transparents (223 000 km/s dans l'eau, 197 531 km/s dans le verre). Plus l'indice de réfraction est grand, plus la vitesse de la lumière dans ce milieu est faible. L'indice ne peut être inférieur à l'unité, il vaut 1,33 pour l'eau, 1,5 pour le verre « Flint » (300 000/197 531), et 2,4 pour le diamant.

Au mois de mai 2016, une question a taraudé quelques esprits scientifiques, la robe présentée par la marque Roman Originals était-elle bleue et noire, ou blanche et or ? tout le monde ne la percevait pas de la même couleur ! Un chercheur du MIT avança que les personnes ayant vu des rayures blanches et or (30 %) étaient plus sensibles à la lumière du soleil, et que celles qui les avaient aperçue bleue et noire (57 %) étaient influencées la lumière artificielle. « Cette différence proviendrait d'une stratégie que notre cerveau met au point pour définir les couleurs, et comme les modèles cérébraux diffèrent, les perceptions aussi. (...) Les personnes qui ont tendance à rester éveillées tard sont habituées à la lumière artificielle alors que celles qui vivent au rythme du soleil ne verront pas le spectre rouge de celle-ci. L'âge et le sexe sont aussi déterminants, les personnes âgées et les femmes participant à l'étude ont principalement vu la robe de couleur blanche et or ». Les chercheurs qui ont recréé les conditions de la prise de vue ont découvert que la robe était exposée à la lumière naturelle du soleil par la fenêtre de droite, mais qu'elle était également éclairée par la lumière artificielle du magasin !

La lumière que l'on perçoit blanche est fait composée de plusieurs couleurs dont la somme donne le blanc, et leur absence totale le noir. L'atmosphère n'est pas un milieu parfaitement transparent, elle se comporte comme un filtre sélectif qui laisse passer certaines longueurs d'onde et moins bien d'autres. Newton a démontré que toutes les couleurs monochromatiques composant le faisceau de lumière blanche atteignant un prisme étaient séparées par réfraction et déviées dans des directions différentes pour former le spectre des couleurs de l'arc-en-ciel s'étalant de 390 nanomètres (1 nm = 1.10^-9m) à 780 nm (bande de longueur d'onde d'une octave), dont les tons extrêmes correspondent aux infrarouges et aux ultraviolets (invisibles). Le classement des gammes de couleurs : rouge 780-622 nm - orange 622-597 - jaune 597-577 - vert 577-492 - bleu 492-455 - violet 455-390 n'est qu'une convention, car les couleurs du spectre se chevauchent mutuellement. L'indice de réfraction N est d'autant plus élevé que la longueur d'onde (λ) est petite : n= 1,56 pour le violet et 1,52 pour le rouge, (en approximation N 1/λ²). Le rayon émergent violet est donc plus dévié que le rouge puisque l'indice qui lui correspond est un peu plus élevé. L'aberration chromatique des objectifs résulte de ce phénomène et explique le déplacement de la mise au point en lumière IR.

En mélangeant trois faisceaux lumineux émettant chacun une couleur dite primaire : bleu (445 nm), vert (555 nm), rouge (650 nm), on obtient le blanc (principe de la synthèse additive que l'on retrouve à la base de tous nos écrans), et lorsqu'on en retranche une couleur primaire, la combinaison des deux autres donne une couleur complémentaire, le vert + rouge = jaune, bleu + rouge = magenta, et vert + bleu = cyan. Si les couleurs secondaires sont à leur tour combinées, elles restituent les couleurs primaires. Une couleur est dite saturée quand elle ne contient pas de lumière blanche et monochromatique qu'une seule couleur (laser). Pour mémoire, l'imprimeur utilise la synthèse soustractive, le mélange des trois couleurs : magenta, cyan et jaune assombrit la couleur jusqu'à donner le noir (trichromie). Le procédé en quadrichromie consiste à ajouter le noir pour gagner en intensité, en netteté et améliorer le contraste.

La lumière visible a une double nature, elle est une onde électromagnétique comprenant des corps corpusculaires (photons) capables de produire des vibrations situés dans une plage de fréquence de 769 térahertz (violet) à 384 THz (rouge). L'énergie de l'onde est proportionnelle à sa fréquence, plus l'onde vibre rapidement, moins grande est la distance parcourue en une période (T=1/fré) d'où une plus grande énergie (E en joules est égale à la constante de Plank fois la fréquence). L'œil humain est un récepteur sélectif, à énergie égale, toutes les les radiations lumineuses ne produisent pas la même sensation. En vision diurne, le maximum de sensibilité se situe dans la bande jaune-verte (555 nm), et en vision nocturne vers le bleu (513 nm). Si le jour l'œil perçoit les couleurs comprises entre 380 et 780 nm, en vision nocturne cette bande se réduit à la partie 400 à 600 nm et le seuil d'éblouissement se situe vers 105 lux.

Parler de sensations colorées serait plus exact que de couleurs. La neige nous apparaît blanche parce qu'elle réfléchit la lumière blanche qui l'atteint avec une force égale dans toutes les gammes spectrales. Si l'on perçoit le feuillage d'un arbre, vert, c'est parce que ses feuilles réfléchissent les radiations vertes qui l'illuminent et qu'elles en absorbent les autres en proportions variables sous formes de nuances, ce qui nous permet de différencier le vert sapin, d'un vert forêt. La rétine réagit aux impulsions lumineuses transmises aux cellules sensibles et au cerveau via le nerf optique. Les cellules sont de deux types. Six millions cônes sont sensibles aux couleurs, comme l'œil peut distinguer entre deux lumières monochromatiques un écart de de 2 nanomètres, il peut donc distinguer jusqu'à 300 couleurs ; les 100 millions de bâtonnets sont en plus forte concentration dans une zone en forme de couronne entourant la fovéa, et renferment une substance photosensible (le pourpre rétinien) qui réagit uniquement aux variations d'intensités lumineuses. Les bâtonnets distinguent les zones plus ou moins contrastées et perçoivent seulement les cercles de luminosité des couleurs.

La couleur n'existe que par la lumière. Si l'intensité lumineuse varie selon le moment de la journée ou de la source de lumineuse (naturelle, artificielle), la feuille nous paraîtra plus claire en plein soleil ou plus foncée sous une lumière faible. Le rapport des brillances extrêmes représente l'intervalle compris entre la plage la plus lumineuse et la plage la plus sombre. Si cet intervalle peut atteindre 1/500 en contre-jour, le contraste moyen est d'environ 1/50, la partie sombre réfléchit donc 50 fois moins de lumière que la partie la plus claire.

La quantité totale de lumière émise par une source lumineuse correspond à son flux lumineux mesuré en lumens (lm) et à son intensité lumineuse en lux (lx). Si une bougie allumée nous semble lumineuse dans l'obscurité, il faut en regarder la flamme attentivement en plein jour pour la percevoir. L'intensité lumineuse est proportionnelle au flux lumineux, elle indique combien de lumens tombent verticalement sur une surface par mètre carré. Si un projecteur émet un flux lumineux de 4 000 lumens sur un écran de 2 m², l'intensité lumineuse sera de 2 000 lux, si on éloigne l'écran de façon à doubler la surface éclairée, l'intensité lumineuse tombera à 1 000 lux. Si la valeur de l'intensité lumineuse produite par le soleil à son zénith est d'environ 100 000 lx, elle sera de 10 000 lx à l'ombre, et tombera à 0.2 lx au clair de lune. Le flux lumineux en lumens permet d’évaluer l’efficacité ou le rendement d'une source. Une ampoule à incandescence produit environ 15 lumens par watt, tandis que les LEDs dépassent les 100 lumens par watt (1 lm = 0.193 cd/m²), elles consomment donc cinq fois moins d’électricité (le watt reste l'unité de mesure de la puissance électrique).

Toutes les lumières qui produisent la sensation de blanc n'ont pas obligatoirement la même composition, le spectre de l'arc électrique est beaucoup plus riche en bleu-violet et ultraviolet que celui de la lumière solaire, tandis qu'il est moins riche en jaune et en vert. Quand la lumière passe à travers un gaz, certaines longueurs d'ondes sont absorbées et sa décomposition être étudiée à l'aide d'un réseau ; un film transparent sur lequel des traits parallèles équidistants sont gravés (800 traits par millimètre). L'observation du spectre d'un néon, par exemple, ne montre plus un spectre continu, mais une succession de raies séparées par des plages noires. La lumière émise ne contient pas toutes les couleurs, mais seulement celles dont on peut voir les raies dans le spectre.

Tout corps porté à une température supérieure au zéro absolu (-273° C, température de l'azote liquide) rayonne sur une longueur d'onde d'autant plus courte que la chaleur est élevée. La Tc permet de caractériser la nuance de blanc (chaud de 2840-3460° K, neutre 4170° K, froid 5030-6510° K) en faisant référence au rayonnement d'un corps noir (il n'émet de lumière que par incandescence et non par réflexion). Lorsqu'on chauffe un corps noir, il commence par rougir vers 500° C, puis jaunir et blanchir vers 10 000°, au-delà, sa teinte et sa luminosité ne sont plus visibles par l'œil humain. Dire que la lumière du jour est de 5 500° K, signifie que la lumière du soleil a la même couleur qu'un objet noir placé dans un four porté à 5 500° K - 273° C, soit 5 227° C. Cela explique qu'un cliché pris à midi présente une dominante bleue tandis que pris le soir il présentera une dominante rougeâtre. Lorsque le soleil est bas sur l'horizon, il présente une température d'environ 2 000° K, au levant ou couchant 3 000° K, au milieu de la journée 5 500° K, par ciel couvert 7 000 à 9 000° K, et un ciel polaire 10 000 à 20 000° K.

La notion de température de couleur concerne également les sources de lumières artificielles : bougie 1500° K, ampoule à incandescence 2 000° K, tube fluo 4 500° K. Les photographes qui utilisaient un film argentique étalonné pour la lumière du jour et qui photographiaient sous une autre source lumineuse, se devaient de placer un filtre coloré approprié devant l'objectif pour décaler la longueur d'onde et ainsi compenser l'écart de température. Un filtre ne peut qu'absorber de la lumière et non en créer, les filtres sont donc plus actifs sur les rayonnement de température élevée. Un filtre est dit positif quand il diminue la Tc, et négatif quand il la renforce. Un filtre jaune par exemple, absorbe le bleu et abaisse la Tc, tandis qu'un filtre bleu l'élève en absorbant du rouge et du jaune (avec les appareils numériques, il suffit de faire la balance des blancs ou de sélectionner dans le menu la nature de la source utilisée).

La diminution de l'intensité lumineuse et son spectre en automne et en hiver seraient la conséquence d'une baisse de la vitalité, de troubles du sommeil, de stress, de dépressions saisonnières. La lumière bleue de nos Smartphones, téléviseurs et tablettes qui présente la fréquence la plus courte et la plus haute énergie, serait à l'origine de : perturbations du cycle circadien (jour/nuit) - fatigue visuelle - maux de tête - risques accrus des cancers (seins et prostate) - cardiaques - de diabète - d'accroître la cataracte et le risque de dégénérescence maculaire ! On considère que la lumière inférieure à 455 nm (bleu-violet) devient nocive après une exposition d'une trentaine de minutes. L'Anses « invite le consommateur à choisir des éclairages peu riches en bleu avec des températures de couleur inférieures à 3 000 kelvins. (...) Concernant les écrans, l'idéal serait de s'en écarter"deux heures avant le coucher ». Pour continuer à lire Agoravox dans les meilleures conditions, le logiciel, F.lux (gratuit) vous permettra de filtrer la lumière bleue de votre écran d'ordinateur et ainsi d'améliorer votre confort visuel.

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