Vision subaquatique. Objectif du cours : comprendre pourquoi et comment la vision est modifiée sous l eau.

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1 Vision subaquatique Rappel : L eau est environ 800 fois plus dense (plus lourde) que l air (environ 1030 grammes par litre d eau de mer contre 1.3 gramme par litre d air). En plus l eau contient diverses particules en suspension (plancton, fines particules de vases ) qui sont autant d obstacles à la propagation de la lumière. Objectif du cours : comprendre pourquoi et comment la vision est modifiée sous l eau. 1 Pourquoi la visibilité est moins bonne dans l eau? La diffusion de la lumière est un phénomène physique que l'on rencontre lorsque des obstacles à la propagation des rayons de lumière (particules en suspension dans l eau) provoquent des changements de la direction des rayons lumineux. Pour schématiser simplement ce phénomène, on peut considérer qu une particule qui est rencontrée par un rayon lumineux se trouve éclairée par ce rayon et se comporte comme une nouvelle source lumineuse qui éclaire dans toutes les directions. Une particule en suspension dans l eau, rencontrée par un rayon lumineux se comporte comme une petite source de lumière. Un objet sous l eau réfléchi les rayons lumineux vers le plongeur (c est pour cette raison que l objet est vu par le plongeur) en rencontrant des particules et en créant une multitude de sources autour de lui qui donnent l impression que son contour est flou 1. Par exemple, un point lumineux (plancton fluorescent?) apparaît net dans l air mais flou dans l eau : 1 En fait il n y a pas que la diffusion mais aussi des phénomènes de réfraction et diffraction qui participent à rendre les objets flous sous l eau, hors sujet ici. 1

2 Dans l air vision nette Diamètre apparent de la particule fluo. Œil du plongeur Dans l eau vision floue 2 Pourquoi la mer est bleue? Absorption de la lumière dans l eau La lumière blanche (lumière du soleil par exemple) est la somme de différentes couleurs (dont la longueur d onde varie entre 400 et 700 nanomètres). Notre œil n est sensible qu à une petite gamme des couleurs qui forment la lumière venant du soleil (par exp. on ne voit pas les ultra violets ni les infrarouges). 400 nm 450 nm 500 nm 550 nm 600 nm 700 nm Lorsque la lumière se propage dans l eau, une partie est absorbée et son intensité diminue rapidement avec l épaisseur d eau traversée. Par exemple à 40 m de profondeur, il ne reste plus que 1.5 % de l intensité qu il y a en surface. Profondeur Lumière restant Surface 100 % 1 m 40 % 10 m 14 % 20 m 7 % 40 m 1.5 % 400 m 0 % Chaque couleur se propage différemment dans l eau. Les couleurs proches du rouge pénètrent très peu dans l eau (cette lumière est donc absorbée rapidement) alors que la lumière bleue est absorbée plus lentement par l eau. 2

3 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 Les couleurs proches du rouge sont absorbées rapidement, la lumière bleue pénètre plus profondément. En eau profonde, lorsque l'on regarde sous l'eau, la lumière que l'on voit est celle diffusée (renvoyée vers l observateur) par les molécules d'eau et les particules Les couleurs chaudes (rouges et jaunes) de la lumière solaire sont absorbées en quelques mètres, la seule composante susceptible d'être diffusée (et donc renvoyée vers la surface) 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. 3

4 3 Pourquoi dans l eau la vision du plongeur est modifiée? 3.1 Le champ de vision du plongeur est réduit Le champ de vision d un plongeur est réduit pour au moins deux raisons : la présence du masque et un phénomène d optique (réfraction). Plus des éventuels effets de la narcose, (voir ce cours) Par le masque Le plongeur regarde à travers la vitre de son masque, qui a des dimensions réduites. Champs de vision du terrien et du plongeur On a donc intérêt à choisir un masque dont la vitre est la plus grande possible (mais ça ne suffit pas, voir paragraphe suivant) et se trouve le plus près possible des yeux. Un masque de petit volume, intéressant pour l apnéiste, a nécessairement une vitre proche du visage (mais pas nécessairement un grand champ de vison!). A ce champ de vision réduit par la présence du masque, on peut ajouter une diminution de la mobilité de la tête (à cause de la combinaison plus ou moins rigide, du détendeur, de la robinetterie du bloc, selon sa position par rapport au stab ) qui réduit encore le champ de vision du plongeur par rapport à celui du terrien Par la réfraction Lorsqu un rayon lumineux passe d un milieu à un autre (les deux milieux ayant des caractéristiques optiques différentes, l eau et l air par exemple), la direction de ce rayon change. On observe facilement ce phénomène par l aspect «cassée» d une paille dans un verre d eau. 4

5 La lumière qui provient de la partie immergée de la paille change de direction au passage de l interface eau/air. D ou l impression de cassure. Ce phénomène, appelé réfraction, se produit aussi lorsque les rayons lumineux passent de l eau à l intérieur du masque (air). L angle du rayon réfracté dépend de l angle du rayon incident. On peut retenir qu un rayon entrant dans un milieu plus dense, avec un angle non nul, (de l air vers l eau par exemple), s écarte de l interface entre les deux milieux. Rayon incident Angle du rayon incident Rayon réfracté Angle du rayon réfracté Un rayon arrivant sur l interface avec un angle nul (arrivant perpendiculairement à la surface) n est pas modifié (pas réfracté). 5

6 Dans le cas d un rayon arrivant de l eau et entrant dans l air du masque, on devine qu il existe une limite telle que l angle du rayon dans le masque sera tangent à la vitre (puisque le rayon se rapproche de l interface dans le cas du passage eau air). On peut calculer que cette limite d angle est atteinte pour un angle du rayon dans l eau d environ Les rayons arrivant avec un angle de 49 ne peuvent pas atteindre les yeux du plongeur après réfraction au passage de la vitre du masque, ils se propagent parallèlement à la vitre. Au delà de 49, les rayons se réfléchissent sur la vitre du masque et ne la traversent plus. Le champ de vision est donc diminué aussi par la réfraction (théoriquement il est au maximum de 2x49 soit 98 ). De même, les rayons du soleil ne pénètrent plus dans l eau à partir du même angle d incidence le jour se couche sous l eau plus tôt que sur terre (ça reste assez théorique car la mer n est jamais parfaitement plate!). 6

7 3.2 Les objets apparaissent plus gros et plus proches Les rayons provenant du poisson sont réfractés au passage de la vitre du masque. Ils se rapprochent de la vitre car le milieu devient moins dense. Le cerveau qui interprète l image ignore ce changement de direction des rayons et il se représente (rayons droits) un poisson apparent plus gros (en gris sur le dessin). On peut calculer que le rapport entre la taille du réel et la taille apparente est de ¾. Pour les mêmes raisons, les objets apparaissent plus proches. Le poisson est vu à une distance apparente qui vaut ¾ de la distance réelle (remarque : cette fois, il faut 2 yeux pour percevoir une distance). A retenir : Grossissement des objets de 1/3. Grosseur apparente = 4/3 grosseur réelle Ou bien grosseur réelle = ¾ de grosseur apparente Raccourcissement de la distance de ¼. Distance apparente = ¾ distance réelle Ou bien distance réelle = 4/3 distance apparente 7

8 Ce problème de réfraction est partiellement corrigé en utilisant un hublot sphérique dans un caisson photo / vidéo. 3.3 Pourquoi je vois trouble sans masque? Si le plongeur ouvre les yeux dans l eau sans masque, son œil est directement au contact de l eau. Les rayons lumineux ne rencontrent donc presque plus de changement de milieu (comme le passage de l eau à l air du masque) et ne sont presque plus réfractés (l indice de réfraction du cristallin et du liquide contenu dans l œil (humeur aqueuse) sont proches de l indice de l eau). C est donc la conséquence de la trop faible réfraction qui empêche les rayons de converger sur la rétine pour former une image nette. La petite différence d indice permet quand même à l image de se former en arrière de la rétine, comme pour un œil hypermétrope. Applications : 1 / Un plongeur pense voir à 15m un requin de 4 m. Longueur et distance réelle? 2 / Sur quelle distance régler un appareil photo terrestre en caisson à hublot plan pour prendre un objet dont la distance apparente (vue par le plongeur) est de 3 m? Réponses : 1/ taille réelle : 4m*3/4=3m, distance réelle : 15m*4/3=20 m 2/ l appareil est réglé sur 3 m car il se comporte comme l œil du plongeur : il est derrière un hublot plan qui réfracte les rayons (c est comme mon œil qui est derrière le hublot plan du masque), l appareil voit donc l objet à 3 m, même si celui-ci est à 4 m réellement. 8

9 L audition sous marine Les sons sont des faibles surpressions provoquées par les vibrations d'objets (caisse de résonance d une guitare, membrane de haut-parleur, cordes vocales...). Les sons se propagent sous forme d une onde de pression, comme l onde à la surface d une flaque d eau si on y jette une pierre. Plus le milieu est rigide (c est-à-dire moins il est élastique), plus les sons se propagent rapidement dans ce milieu. La vitesse de propagation des sons dans l air est de 340 m/s, elle est de 1500 m/s dans l eau (environ), 5000 m/s dans l acier. Il nous est possible de localiser les sons car nos oreilles sont distantes de qlq centimètres. Dans l air, un son venant de ma droite atteint mon oreille droite en premier puis mon oreille gauche. Mon cerveau peut donc localiser la source du son. Dans l eau, les sons se propageant environ 5 fois plus vite, il nous faudrait des oreilles 5 fois plus écartées pour que notre cerveau puis localiser la source avec la même précision que dans l air. En plongée, on peut facilement entendre le bruit d un détendeur pour savoir si un binôme est proche de soi ou non, le bruit d un bateau proche Les applications nécessitent de connaître le lien entre distance parcourue, vitesse et durée du parcours : Vitesse (en mètres par seconde) = distance (en mètres) durée du parcous (en secondes) Applications : 1/ Le sondeur d un bateau envoie une impulsion d ultrason et reçoit son écho 0.05 seconde plus tard. A quelle profondeur se trouve le fond? 2/ Une explosion a lieu au niveau de la mer à 15 km d un lieu de plongée. Au bout de combien de temps un plongeur immergé juste sous la surface entend t il l explosion? Dès qu il entend l explosion, il revient immédiatement à la surface. Combien de temps s écoule entre le retour en surface et la perception du second bang? (prendre la vitesse de 300 m/ minutes dans l air). Réponses : 1/ Pendant 0.05 seconde, l impulsion parcourt l aller vers le fond, est réfléchie sur le fond et parcourt le retour vers la bateau. Soit au total le double de la profondeur. Distance parcourue pendant 1 seconde : 1500m, pendant 0.05 seconde (soit 1/20 ième de seconde) : 1500/20 = 75 m. La profondeur est donc de 37.5 m. 2/ Le son dans l eau se propage à 1500 m/min. La distance à parcourir est de m. La durée du parcours dans l eau est donc de 15000/1500 = 10 secondes. Le son se propage dans l air à 300 m/minutes. La durée du trajet dans l air est donc 15000/300=50 secondes. Le plongeur entend donc le premier bang après 10 secondes et le deuxième bang 40 secondes après le retour surface. 9