Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

     Pourquoi l'eau est-elle bleue ?



 

  

Ce n'est pas si évident, c'est ainsi qu'on la représente sur les cartes de géographie, et les enfants la voient ainsi... Et si c'est bien le cas sur la plage, même si elle peut y être bleue ou verte ; et c'est différent dans un verre : l'eau est transparente !
Transparente, verte ou bleue ? La chimie vient à la rescousse.

Tout d'abord, n'oublions pas que les objets qui nous entourent sont souvent des sources lumineuses secondaires : ils ne sont lumineux que parce qu'ils réémettent une partie de la lumière que le Soleil ou toute autre source de lumière primaire leur envoie ; en fonction des couleurs qu'il absorbent, ils nous apparaissent avec la couleur globalement complémentaire.

L'apparence de la matière ne tient pas seulement à la nature des éléments qui la constituent mais aussi et surtout à la façon dont ces éléments sont associés entre eux. Les différents états de la matière (solide, liquide, gazeux) peuvent être responsables des différences d'apparence. Il peut aussi exister des formes différentes pour un même état. Un exemple flagrant est celui du carbone, qui, à l'état solide, peut se présenter sous forme de graphite (constituant de la mine de crayon) ou de diamant !

Dans le cas de l'eau, on la retrouve sur Terre à l'état gazeux (vapeur), liquide et solide. À l'état solide, elle peut prendre diverses formes : glace et neige. Si la glace est généralement translucide, la neige est blanche car les molécules d'eau sont organisées selon une structure cristalline qui réfléchit toutes les longueurs d'onde de la lumière qu'elle reçoit.

Quant à l'eau liquide, lorsqu'elle est pure, elle est transparente. La lumière la traverse sans être absorbée, sauf sur des distances dépassant plusieurs mètres. Le bleu des océans, comme celui du ciel, est dû à l'absorption puis à la réémission de la lumière par des particules en suspension. Cette interaction se produit lorsque la taille des particules est approximativement celle de la longueur de l'onde lumineuse. Les particules contenues dans le ciel et les océans sont majoritairement de petite taille et absorbent donc les ondes lumineuses courtes, comme le bleu. Mais les océans doivent surtout leur couleur à celle du ciel qu'ils réfléchissent.

Avant que de dire que l'eau est incolore, il faut faire quelques remarques.
     1 - Que veut dire "transparent" ?
     2 - Quelle est l'épaisseur de l'eau ?
     3 - L'eau en question est-elle pure ?
Concernant le point 1, l'eau absorbe fortement la lumière entre 920 nm et 1 000 nm. Elle n'est donc pas vraiment transparente. Mais il est vrai que ce domaine n'est pas dans le visible. Mais l'eau absorbe aussi la lumière (dans une moindre mesure) aux alentours de 720 nm. Et là, nous sommes dans le visible. L'eau n'est donc pas transparente.
Concernant le point 2, il est clair que plus l'épaisseur d'eau sera importante et plus l'intensité de la lumière aux fréquences absorbées sera faible après la traversée de l'eau. Par conséquent, pour une épaisseur d'eau suffisamment importante, cette atténuation des fréquences absorbées finira par devenir perceptible. Cela n'est évidemment pas le cas pour de faibles épaisseurs.
Concernant le point 3, il est clair qu'en fonction des impuretés présentes dans l'eau d'autres bandes de fréquences pourront également être absorbées. Enfin, en plus des fréquences absorbées il faudrait également tenir compte de la diffusion de la lumière.

 

La lumière en provenance du soleil est atténuée par l'atmosphère avant d'atteindre la surface de l'eau ; 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.

L'absorption 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 constituant 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. En revanche, 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  Il(z) = Io,l exp (-kl z) où est Io l'intensité lumineuse à la surface de la Terre et kl le coefficient d'atténuation verticale.

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

 

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

 

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.

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.

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

 

De fait, dans l'eau comme dans toute molécule, les noyaux des atomes ne restent pas fixes. Ils oscillent autour de positions moyennes en fonction de différents modes de vibration dont la fréquence varie avec la taille de l'atome; plus l'atome est petit et plus grande est la fréquence. Dans la molécule entière, toutes ces vibrations et leurs harmoniques se combinent en modes normaux de vibration, caractérisés par un nombre d'onde n exprimé en cm-1. Les longueurs d'onde (1/n) des modes normaux de vibration de l'eau sont de l'ordre du micromètre (10-6 m) et contribuent donc au spectre infrarouge. Les vastes étendues d'eau (lacs, océans) paraissent bleues en partie à cause du fait que l'eau absorbe la lumière rouge 100 fois plus que la lumière bleue.

modes normaux de l'eau

1) Flexion
n = 1595 cm-1
(l = 6,27 mm)
2) Etirement asymétrique
n = 3756 cm-1
(l = 2,662 mm)
3) Etirement symétrique
n = 3657 cm-1
(l = 2,734 mm)