Les lois de l'optique dans le milieu aquatique se caractérisent par une série de phénomènes touchant la propagation des rayons lumineux dont les conséquences conditionnent la vision dans l'eau. Ce sont les "avatars d'un rayon de lumière" comme les avait appelés notre ami Ludwig Sillner.

En atteignant la surface, en la traversant et en pénétrant dans l'eau, les rayons lumineux sont soumis à quatre phénomènes principaux: la réflexion, la réfraction, l'absorption et la diffusion.

En atteignant la surface de l'eau, une partie des rayons lumineux est réfléchie : c'est la réflexion; l'autre pénètre dans l'eau en subissant une déviation c'est la réfraction

LA REFLEXION

L'angle de réflexion i' est égal à l'angle d'incidence i. La perte d'intensité des rayons lumineux pénétrant dans l'eau du fait de la réflexion dépend de l'angle d'incidence. Elle est en fait négligeable, sauf lorsque l'angle d'incidence est supérieur à 60° où elle atteint 6 %. Par ciel couvert et en lumière diffuse, le taux de réflexion est d'environ 6 %.

LA REFRACTION

On appelle réfraction la déviation que subit le rayon lumineux en passant d'un milieu à un autre d'indices de réfraction différents. Le rayon lumineux, en pénétrant dans l'eau, se rapproche de la verticale, tandis que le rayon sortant de l'eau s'en éloigne. Il existe cependant un angle d'incidence (48° 35') au-dessus duquel la réfraction ne se fait plus, c'est-à-dire au-delà duquel les rayons lumineux ne traversent plus la surface. La conséquence est l'effet de miroir de la surface vue du dessous en plongée, quand ces conditions sont réalisées.

L'indice de réfraction est fonction de la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu qu'elle traverse, toujours inférieure à celle dans le vide ainsi la vitesse "tombe" de 300 000 km/s dans le vide à 250 000 km/s dans l'eau.

Le sinus de l'angle d'incidence i est dans un rapport constant avec celui de l'angle de réfraction r, exprimé par la relation :

n1 . sin i = n2 . sin r

(n1 et n2 étant  les indices de réfraction absolus par rapport au vide des deux milieux considérés).

Cette déviation imagée à l'école par l'expérience du bâton brisé ainsi que les autres conséquences de la réfraction, concernent tous les cas où un appareil optique (oeil humain ou appareil photographique), placé dans l'air, observe un objet immergé que ce soit à l'air libre, en surface, à travers la glace d'un seau de calfat, d'un aquarium ou d'un masque de plongée.

Il faut ouvrir ici une parenthèse sur le rôle de l'ensemble constitué par une surface plane qui, dans tous les cas, sépare les deux milieux inégalement réfringents et que l'on appelle un dioptre plan. Pour un système optique conçu pour la vision aérienne (oeil humain, objectif photographique classique), il est la condition nécessaire d'une vision nette. En effet, dans ces systèmes optiques directement immergés, la convergence des rayons lumineux se fait différemment (dans le cas de l'oeil en arrière de la rétine), l'image est floue, d'où une vision floue dans l'eau avec les yeux "nus" et le rétablissement d'une vision nette par la présence d'un dioptre pian, comme le masque de plongée où l'oeil maintenu dans l'air est séparé de l'eau par une glace plane.

Mais la réfraction a des conséquences très importantes dans la vision dans l'eau avec un dioptre plan, ce sont des modifications des images.

Le rayon lumineux provenant de l'objet immergé sort dans l'air sous un angle plus grand, d'où un grossissement des objets de 1/3 et, par voie de conséquence, diminution de 1/4 de l'angle de champ du système optique.

Pour un système optique placé dans l'air, un objet placé dans l'eau à une distance x d'un hublot, est vu à une distance apparente y telle que :

y = 3/4 - X

d'où un raccourcissement de la distance apparente. Pour l'oeil humain, c'est le phénomène que tout plongeur ou baigneur a découvert dans la première utilisation d'un masque de plongée en constatant, dérouté, les dimensions inhabituelles de sa main et, dans les gestes, les erreurs d'appréciation de distance avec un bras "raccourci".

Nous verrons au chapitre de la photographie les conséquences qui en découlent pour l'objectif photographique.

Le troisième "avatar" de notre rayon de lumière une fois entré dans l'eau est une perte rapide (et exponentielle) de son intensité lumineuse, son énergie se trouvant transformée en chaleur. Cette absorption est due à l'eau elle-même et également aux particules en suspension dont le coefficient d'absorption est variable et intervient dans les variations possibles de cette extinction de la lumière. La diffusion participe à cette extinction de la lumière dont, en mer (et en moyenne), il ne subsiste que 40 % à - 1 m, 14 % à - 10 m, 7 % à - 20 m et seulement 1,5 % à - 40 m.

A côté de cette extinction progressive, se produit un autre phénomène important qui, lui, entraîne une modification de la composition spectrale de la lumière d'où une modification de la vision des couleurs, c'est l'absorption sélective. C'est le phénomène constaté - et pas toujours compris - par les plongeurs ou les chasseurs sous-marins de voir le sang vert en profondeur ou l'étoile de mer reprenant ses couleurs rouges progressivement pendant la remontée.

Les radiations qui composent le spectre solaire sont progressivement absorbées dans l'ordre des longueurs d'onde élevées (infrarouge, rouge, etc.) aux longueurs d'onde faibles (bleu, vert). La mer se comporte comme un filtre et, Si on ne tient pas compte des différences constatées et dues aux particules en suspension, les couleurs disparaissent une à une avec la profondeur, le rouge, modifié dès 2 m, disparaît vers 5 m, l'orangé entre 10 et 15 m, le jaune entre 15 et 25 m, le violet après 20 m. Au-delà il ne reste provisoirement que les bleus et les verts pour aboutir à une vision crépusculaire monochrome vers 60 m, jusqu'à l'extinction totale vers 400 m.

En fait, l'absorption et l'absorption sélective ne sont pas fonction de la profondeur, image commode, mais de la longueur de trajet du rayon lumineux dans l'eau, trajet total qui peut apporter la même absorption sélective à des profondeurs différentes.

Ainsi, quand on introduit dans le milieu marin une source d'éclairage artificiel, celle-ci restitue aux objets leurs couleurs mais, ses rayons lumineux étant soumis aux mêmes phénomènes d'absorption que les rayons solaires, leur effet est le même aux mêmes distances. D'où, et notamment en photographie sous-marine, le peu de portée pratique de l'éclairage artificiel dans ce domaine, quelle que soit sa puissance.

LA DIFFUSION

Comme l'absorption, la diffusion résulte de l'eau elle-même et aussi des particules en suspension. Celles-ci dévient les rayons lumineux, les modifient par réfraction s'ils les pénètrent ou bien les réfléchissent. La diffusion participe à la diminution progressive de la lumière et provoque en outre un effet de brouillard ou de voile qui, suivant la taille des particules, se traduit souvent par un effet de tapioca, la "soupe", malédiction du photographe! D'où un manque général de contraste, l'absence de lointains, plus encore pour l'objectif que pour l'œil humain qui, aidé par le cerveau, a tendance à compléter ou à reconstituer.

CONSEQUENCESDANSLEDOMAINEDELAPLONGEE

CONSEQUENCES DANS LE DOMAINE DE LA PLONGEE

·          La modification apparente des images:

- grossissement des objets de 1/3,

- raccourcissement de la distance de 1/4,

- réduction du champ de 1/4,

- réduction de la profondeur de champ de 1/4.

·          La disparition progressive des couleurs.

La diminution progressive de la lumière.

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