Pourquoi l'air est-il invisible ?
― Ce n'est pas qu'on ne le voit pas, c'est qu'il n'a pas de « frontière »
Un enfant vous a-t-il déjà demandé « pourquoi on ne voit pas l'air ? », vous laissant sans mot ? Répondre « parce qu'il est trop petit » n'est qu'à moitié vrai. La vraie raison, c'est que l'air n'absorbe pas la lumière et qu'il n'a pas de « frontière » où la lumière pourrait se réfléchir. Et en fait, dans certaines conditions, l'air devient bel et bien visible.
Un jour de grand vent, l'air vous frappe le visage. Avec un éventail, vos cheveux s'agitent. Votre corps sait parfaitement que l'air est bien là.
Et pourtant, en regardant devant vous, il n'y a rien. L'air d'une pièce pèse pourtant plusieurs dizaines de kilos en tout.
À l'inverse, un verre d'eau transparent, lui, se voit très bien. L'eau comme le verre sont transparents, alors pourquoi seul l'air reste-t-il « invisible » ?
Il n'y a que deux raisons à cette invisibilité
L'azote et l'oxygène, qui composent la majeure partie de l'air, n'absorbent presque pas la lumière visible. Comme aucune lumière n'est absorbée, aucune couleur n'apparaît. La lumière traverse directement.
On voit les objets transparents parce qu'une partie de la lumière se réfléchit ou se courbe légèrement à leur surface. L'air est relié à l'air environnant, sans frontière entre les deux.
En somme, « être invisible » ne veut pas dire que l'œil est paresseux. C'est simplement que l'air n'envoie presque aucun indice jusqu'à l'œil. Voyons cela dans l'ordre.
L'absence de couleur vient du fait que la lumière passe à travers
Un objet a une couleur parce qu'il absorbe une partie de la lumière. Une feuille, par exemple, absorbe le rouge et le bleu, et réfléchit le vert qui reste.
L'azote et l'oxygène n'ignorent pas totalement la lumière. Mais ce qu'ils absorbent, ce sont des lumières invisibles comme les ultraviolets. Une partie des infrarouges, qui transportent la chaleur, est absorbée par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone présents dans l'air.
Seule la « lumière visible », qui se situe juste entre les deux, traverse presque entièrement l'air. C'est pourquoi l'air n'a pas de couleur.
Certains pensent que ce n'est pas un hasard. Les yeux des êtres vivants auraient évolué pour exploiter au mieux la lumière qui parvient jusqu'à eux en traversant l'air ou l'eau. Ce que nous appelons « lumière visible » serait justement la lumière la moins absorbée par l'air.
Ce qu'on voit, ce n'est pas « l'objet » mais la « frontière »
Si l'absence de couleur suffisait, un verre en verre devrait aussi être invisible. Mais on le voit bien. La raison tient à la deuxième cause : la « frontière ».
Quand la lumière atteint la frontière entre deux substances différentes, une partie se réfléchit. Le reste change aussi légèrement de direction. Le léger reflet de votre visage dans une vitre, c'est cette réflexion. Le bord d'un verre qui semble déformé, c'est cette courbure.
La quantité de lumière réfléchie dépend de l'écart entre la « résistance au passage de la lumière » des deux côtés de la frontière. Ce nombre qui exprime cette résistance s'appelle l'indice de réfraction. Essayez de faire varier cet écart avec le curseur de la figure 1.
Dans la figure 1, avec du verre (indice de réfraction d'environ 1,5), la lumière réfléchie est d'environ 4 %. Ces 4 % suffisent à nous dire « il y a du verre ici ».
Or l'indice de réfraction de l'air est d'environ 1,0003, presque identique à celui de l'espace vide (exactement 1). Entre air et air, il n'y a au départ aucun écart. Sans frontière, ni réflexion ni courbure ne se produisent. Aucun indice visuel n'apparaît.
Si l'on plonge une tige de verre dans une huile dont l'indice de réfraction est proche de celui du verre, la tige devient presque invisible. Quand l'écart à la frontière disparaît, le verre devient, lui aussi, « invisible », comme l'air. Vous pouvez le tester dans l'observation ci-dessous.
Et pourtant, l'air devient parfois « visible »
L'air n'est pas toujours totalement invisible. Dans deux situations, il se manifeste.
La première, c'est quand on accumule beaucoup d'air. Les molécules d'air diffusent la lumière très légèrement vers les côtés, et surtout la lumière bleue. Sur un mètre, c'est totalement imperceptible, mais sur 10 kilomètres, environ un dixième de la lumière est ainsi diffusée. Les montagnes lointaines qui paraissent bleutées et brumeuses, c'est l'air lui-même, entre vous et elles, que vous voyez. Le bleu du ciel entier repose sur le même mécanisme (pourquoi le ciel est-il bleu).
La seconde, c'est quand un écart de température se crée dans l'air. L'air chaud a un indice de réfraction légèrement plus faible que l'air froid. Le mirage tremblant qu'on observe au-dessus de l'asphalte en été vient de ce petit écart, qui crée une « frontière » courbant la lumière. Quand l'écart est plus important et plus étendu, on obtient un mirage véritable.
En résumé
L'air est invisible parce qu'il n'absorbe pas la lumière visible et qu'il n'a pas de frontière où la lumière pourrait se réfléchir. Ce n'est pas une question de petite taille. C'est pourquoi, en l'accumulant sur des dizaines de kilomètres ou en créant une frontière par écart de température, l'air peut lui aussi devenir visible.
Voir un objet, c'est voir la lumière changer de direction à une « frontière ».
L'air, qui n'a pas de frontière, ne se révèle que sous la forme du bleu des montagnes lointaines.
Une histoire similaire de « transparent mais blanc » se trouve dans la glace est transparente, alors pourquoi la neige est-elle blanche ?. Il s'agit là d'un cas avec un trop grand nombre de frontières.
- Versez de l'huile de table dans un verre transparent, jusqu'à moitié. Un petit récipient en verre résistant à la chaleur, une tige de verre ou une bille en verre faciliteront l'observation.
- Plongez lentement le petit objet en verre dans l'huile et regardez-le de côté. Comparez avec de l'eau. Dans l'eau, il reste bien visible ; dans l'huile, son contour s'estompe.
- Par une journée claire, comparez des montagnes ou des immeubles proches et lointains. Les objets proches devraient paraître plus colorés, les lointains plus bleutés et brumeux.
L'indice de réfraction varie légèrement selon le type de verre, donc il peut ne pas disparaître complètement. L'huile de table a un indice d'environ 1,47, et le verre ordinaire environ 1,5. Utilisez une huile de cuisine courante et prenez garde à ne pas casser le verre.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau du programme de physique au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant de matières spécialisées universitaires (optique, électromagnétisme, rayonnement atmosphérique)
- RechercheSujet qui n'est pas encore enseigné comme « établi » même à l'université, et que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Réflexion et réfraction de la lumière : quand la lumière atteint la frontière entre deux substances différentes, une partie se réfléchit (réflexion) et le reste change de direction en continuant (réfraction). Vu en première année de collège.
- Indice de réfraction : nombre exprimant à quel point la lumière se déplace plus lentement dans une substance par rapport au vide. L'air vaut environ 1,0003, l'eau environ 1,33, le verre environ 1,5, et le diamant environ 2,42.
- Absorption : le fait qu'une substance capte l'énergie de la lumière. La couleur absorbée manque alors, ce qui donne sa couleur à l'objet.
CollègeLycéeVérifions par le calcul : quelle quantité de lumière se réfléchit à une frontière ?
Quand la lumière arrive perpendiculairement à une frontière, la proportion réfléchie ne dépend que des indices de réfraction des deux côtés. Comparons la frontière verre-air.
| En symboles | R = ( (n₁ − n₂) ÷ (n₁ + n₂) )² |
| En mots | Proportion réfléchie = carré de « l'écart des indices de réfraction ÷ leur somme » |
| D'où vient cette formule | La lumière est une onde électrique et magnétique. Cette formule découle de la condition selon laquelle, aux deux côtés de la frontière, les grandeurs électriques et magnétiques de cette onde doivent se raccorder (c'est la formule de Fresnel, limitée au cas d'une incidence perpendiculaire) |
Signification des symboles : R est la proportion de lumière réfléchie (sans unité ; 0,04 signifie 4 %), n₁ et n₂ sont les indices de réfraction des deux côtés de la frontière (sans unité).
| Indice de réfraction du verre | environ 1,5 |
| Indice de réfraction de l'air | environ 1,0003 (écart de 0,0003 avec le vide) |
| Ordre de grandeur pour la diffusion de la lumière verte dans l'air près du niveau de la mer | sur environ 85 km, elle tomberait à un peu moins de 40 % |
| Verre : écart des indices | 1,5 − 1 = 0,5 |
| Verre : somme des indices | 1,5 + 1 = 2,5 |
| Écart ÷ somme | 0,5 ÷ 2,5 = 0,2 |
| Au carré, proportion réfléchie | 0,2 × 0,2 = 0,04 |
| Air : écart ÷ somme (somme ≈ 2) | 0,0003 ÷ 2 = 0,00015 |
| Au carré, proportion réfléchie | 0,00015 × 0,00015 = 0,0000000225 |
| Combien de fois le verre réfléchit-il plus que l'air | 0,04 ÷ 0,0000000225 ≒ 1 780 000 |
| Proportion diffusée sur 10 km d'air, environ | 10 ÷ 85 ≒ 0,12 |
La surface du verre réfléchit 4 % de la lumière. La frontière entre l'air et le vide n'en réfléchit qu'environ deux cent-millionièmes. L'écart est d'environ 1,78 million de fois. Dans la réalité, l'air n'a même pas de frontière avec le vide, et les frontières créées par les écarts de température sont encore plus faibles. En revanche, en traversant 10 km d'air, environ un dixième de la lumière est diffusée vers les côtés. On confirme ainsi par les chiffres que l'air « reste invisible à la frontière, mais devient visible quand on en accumule une grande quantité ».
LycéeLycée+Pourquoi la lumière change-t-elle de direction à une « frontière » ?
LycéeL'indice de réfraction est le rapport des vitesses de la lumière. Dans le verre, la lumière se déplace à environ les deux tiers de sa vitesse dans le vide. La réfraction, c'est ce changement de direction de l'onde à une frontière où la vitesse change ; cette relation est exprimée par la loi de Snell-Descartes. Le mirage tremblant au-dessus de l'asphalte vient du fait qu'une différence de température de l'air modifie légèrement l'indice de réfraction, courbant progressivement le trajet de la lumière.
Lycée+La diffusion préférentielle de la lumière bleue dans l'air s'appelle la diffusion de Rayleigh. L'intensité diffusée est inversement proportionnelle à la puissance quatrième de la longueur d'onde. Le bleu (environ 450 nanomètres) serait diffusé 4 à 6 fois plus fortement que le rouge (environ 700 nanomètres). Le phénomène des paysages lointains qui paraissent bleutés est appelé, en peinture, « perspective atmosphérique ».
UniversitéL'indice de réfraction est déterminé par les électrons de la matière
Quand la lumière traverse une substance, son champ électrique fait vibrer les électrons de cette matière. Les électrons ainsi mis en mouvement émettent une nouvelle lumière, qui se superpose à la lumière d'origine, ce qui ralentit la vitesse apparente. C'est l'origine véritable de l'indice de réfraction. La valeur de l'indice de réfraction moins 1 est à peu près proportionnelle à la densité du nombre de molécules. Le fait que l'air soit environ 800 fois moins dense que l'eau explique pourquoi l'écart d'indice de réfraction est presque nul. Aux longueurs d'onde éloignées des positions de résonance où les électrons absorbent la lumière (dans l'ultraviolet pour l'azote et l'oxygène), l'absorption est quasiment nulle, et la matière devient transparente. Cette approche s'étudie en électromagnétisme et en optique sous le nom de modèle de Lorentz et théorie de la dispersion. La proportion de lumière réfléchie à une frontière est donnée par la formule de Fresnel, dérivée des conditions aux limites.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Formules de Fresnel (Wikipédia japonais) ／ Diffusion de Rayleigh (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- La raison pour laquelle l'œil possède une plage de « lumière visible ». On pense que c'est parce que cette plage coïncide avec la lumière qui traverse facilement l'air et l'eau, et avec la longueur d'onde où la lumière du soleil est la plus intense. Mais le poids relatif de chaque facteur reste débattu.
- La visibilité lointaine et les petites particules dans l'air. Dans l'air réel se mêlent de petites particules comme des gouttelettes d'eau ou de la poussière, qui modifient fortement la visibilité. La relation entre leur quantité et l'aspect visuel continue d'être observée selon les régions et les saisons.
- La forme fine des fluctuations du mirage. La façon dont les écarts de température se déplacent en tourbillons est complexe. Sous le nom de « turbulence atmosphérique », qui fait trembler l'image des télescopes, des recherches sur sa correction se poursuivent en astronomie.
En somme, le contenu de cet article reflète aussi « l'explication telle qu'on la comprend actuellement ». Que l'air soit transparent est certain, mais la distance à laquelle on peut voir dépend aussi d'autres facteurs que l'air lui-même.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1re année « Réflexion et réfraction de la lumière » | Pourquoi on voit les objets transparents, la notion de frontière |
| Lycée | Physique « Propriétés des ondes (indice de réfraction, loi de Snell-Descartes) » | Indice de réfraction, mirage tremblant |
| Lycée+ | Approfondissement de physique « Diffusion de la lumière » | Pourquoi les montagnes lointaines paraissent bleues |
| Université | Électromagnétisme, optique (formules de Fresnel, dispersion) | L'origine véritable de l'indice de réfraction, la proportion réfléchie |
| Recherche | Évolution de la vision, turbulence atmosphérique | Section recherche |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Reflet dans une vitre, brume des paysages lointains, mirage tremblant d'été |
- Formules de Fresnel (フレネルの式) ― Wikipédia japonais
- Diffusion de Rayleigh (レイリー散乱) ― Wikipédia japonais
- Hecht, E., Optics (traduction japonaise « 光学 », éd. Maruzen) ― manuel de référence sur l'indice de réfraction, la réflexion et la diffusion
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), Rika Nenpyō (『理科年表』, éd. Maruzen) ― indices de réfraction de l'air, de l'eau et du verre
- Bohren, C. F. & Clothiaux, E. E., Fundamentals of Atmospheric Radiation (Wiley-VCH, 2006)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à comprendre le mécanisme. L'indice de réfraction et le degré de diffusion varient légèrement selon la couleur de la lumière, la température et l'humidité. Lors d'observations avec du verre ou de l'huile, prenez garde aux risques de casse et de feu.