Pourquoi une pièce éclairée et un extérieur ensoleillé semblent-ils aussi lumineux ?
― L'œil réduit un écart de 200 fois à environ 6 fois
En plein jour, dehors, ou dans une pièce éclairée : on ne ressent que « normalement lumineux ». Pourtant, un appareil de mesure trouve un écart d'environ 200 fois. L'écart existe bel et bien : c'est l'œil qui nous le montre réduit.
En pleine journée, vous lisez un livre dans une pièce. La lumière est allumée et vous ne manquez de rien.
Vous sortez, et vous voilà en plein soleil. Vous vous dites « quelle lumière ! », mais en plissant un peu les yeux, vous vous habituez vite.
Ce que vous ressentez, c'est tout au plus « quelques fois plus lumineux ». Pourtant, entre la pièce et le soleil, la lumière réelle varie d'environ 200 fois.
Deux raisons font disparaître l'écart
La pupille, l'ouverture au centre de l'iris, rétrécit dans un lieu lumineux et s'agrandit dans un lieu sombre. Son diamètre varie d'un facteur 4, soit environ 16 fois plus ou moins de lumière qui entre. L'œil règle cela tout seul.
Mais cela ne gagne que 16 fois. Le reste est pris en charge par le fond de l'œil et le cerveau. Même quand la lumière est multipliée par 200, la luminosité ressentie n'augmente que d'environ 6 fois. Voilà comment l'écart est comprimé.
Ces deux mécanismes agissent en même temps. Nous vivons donc, d'une pièce sombre jusqu'au grand soleil, dans un monde qui nous paraît continu et ordinaire. C'est pratique, mais cela nous rend très mauvais pour deviner la luminosité réelle.
La luminosité réelle varie de plusieurs ordres de grandeur
L'unité qui mesure l'éclairement s'appelle le lux. Dehors par grand soleil, on compte environ 100 000 lux ; par temps couvert, environ 10 000 ; sur un bureau de bureau, autour de 500 ; dans un salon, de 100 à 200. La nuit, sous la pleine lune, c'est environ 0,25.
Entre le plus haut et le plus bas, l'écart est d'environ 400 000 fois. Sur une échelle ordinaire, le bas serait écrasé et impossible à dessiner. Dans la figure 1, chaque graduation vaut donc 10 fois la précédente.
Cette « maladresse » nous joue des tours au quotidien
Grâce à la réduction de l'écart par l'œil, la vie est confortable. Mais du coup, nous jugeons souvent mal si la lumière est suffisante. Les ennuis se présentent surtout de trois façons.
Premier cas : la plante posée près de la fenêtre qui dépérit sans raison apparente. Pour nos yeux, la lumière est suffisante, mais la plante n'en reçoit que quelques dizaines de fois moins que dehors. Deuxième cas : la photo. Si vos photos prises à l'intérieur sont floues ou sombres, c'est que la pièce est en réalité bien plus sombre que ce que l'œil pense.
Troisième cas : l'horloge interne. On considère que la lumière du matin, pour régler le rythme du corps, demande une certaine intensité. L'éclairage intérieur n'y parvient souvent pas. Même s'ils sont tous deux « lumineux », mieux vaut les considérer comme deux choses différentes pour le corps.
Même par un ciel gris et lourd, il y a environ 10 000 lux dehors, soit environ 20 fois une pièce bien éclairée. Même si vous vous dites « il fait sombre, autant rester », pour recevoir de la lumière, sortir est bien plus efficace que s'asseoir près d'une fenêtre.
Si la sensation suivait exactement la luminosité, dès que vous sortiriez, les marches et les nuances des lettres que vous voyiez à l'intérieur seraient toutes écrasées dans le blanc. On pense que réduire l'écart permet de toujours distinguer la forme des objets dans la nature, où les conditions varient de plusieurs ordres de grandeur.
En résumé
Entre une pièce et le plein soleil, la luminosité varie d'environ 200 fois. L'ouverture de la pupille en absorbe environ 16 fois, et le reste est comprimé par la sensation elle-même. Ainsi, nous vivons sans presque prendre conscience de cet écart. C'est pratique, mais notre jugement sur le caractère suffisant de la lumière n'est guère fiable.
L'œil n'est pas un instrument de mesure de la lumière.
C'est un outil qui réduit les écarts pour que nous voyions les formes, même dans un monde qui varie de plusieurs ordres de grandeur.
Le temps que met l'œil à s'habituer quand on passe vers l'obscurité est traité dans Pourquoi, en entrant d'un lieu lumineux dans une pièce sombre, ne voit-on rien pendant un moment ? ; le fait que l'extérieur par temps couvert envoie une lumière plus forte qu'on ne le croit est abordé dans Pourquoi attrape-t-on des coups de soleil même par temps couvert ?
- Installez sur votre smartphone une application qui affiche la luminosité en lux. Elle utilise la caméra ou le capteur de lumière et donne un ordre de grandeur approximatif.
- Mesurez d'abord sur votre bureau, dans la pièce, et retenez le chiffre. Puis devinez « combien de fois plus lumineux est-ce dehors ? », sortez et mesurez au soleil.
- Comparez votre estimation et la réalité. Beaucoup répondent moins de 10 fois, mais l'écart réel dépasse sûrement 100 fois. Essayez aussi par temps couvert, à 1 m d'une fenêtre, ou dans une pièce la nuit : vous verrez bien comment l'écart est réduit.
Ne pointez pas la caméra directement vers le soleil pour mesurer. Les chiffres ne seraient pas justes, et ce serait mauvais pour vos yeux comme pour l'appareil.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université, le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « biologie de base » du lycée japonais
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours spécialisés de l'université, non vus au lycée (science de la vision, psychophysique)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, non enseignés comme acquis même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Éclairement : quantité de lumière qui arrive sur une surface. Son unité est le lux. C'est le chiffre que cet article appelle « luminosité réelle ».
- Adaptation : ajustement de la sensibilité de l'œil à la luminosité ambiante. Elle comprend à la fois le changement d'ouverture de la pupille et celui de la sensibilité des cellules du fond de l'œil.
- Échelle logarithmique : disposition où chaque graduation vaut 10 fois la précédente. On l'emploie pour faire tenir dans une seule figure des nombres très éloignés. La bande du haut de la figure 1 en est un exemple.
CollègeLycéeVérifier par la formule : d'un écart de 200 fois à 6 fois
Posons une formule qui relie sensation et luminosité réelle, puis suivons-la avec des valeurs numériques.
| En symboles | S ＝ k × E0.33 |
| En mots | luminosité ressentie ＝ constante × racine cubique de l'éclairement |
| D'où vient cette formule | La loi de puissance de Stevens, qui relie l'intensité d'un stimulus à la sensation. C'est une règle empirique tirée d'expériences où l'on demande à de nombreuses personnes d'évaluer la luminosité ; pour la luminosité, l'exposant est de 0,33 à 0,5 environ. |
| Sens des symboles | S est la luminosité ressentie (valeur relative sans unité), E l'éclairement (en lux), k une constante de proportionnalité |
| Éclairement dehors par grand soleil | environ 100000 lux |
| Éclairement d'une pièce bien éclairée (sur un bureau) | environ 500 lux |
| Diamètre de la pupille | environ 2 mm en lumière vive, environ 8 mm dans l'obscurité |
| Nombre dont le cube vaut environ 200 | environ 5,8 |
| Rapport des luminosités réelles, dehors et dedans | 100000 ÷ 500 ＝ 200 |
| Rapport des diamètres de la pupille | 8 ÷ 2 ＝ 4 |
| Rapport de la lumière qui entre (fixé par la surface de l'ouverture) | 4 × 4 ＝ 16 |
| Avec un rapport de sensation de 5,8, on vérifie en élevant au cube | 5,8 × 5,8 ＝ 33,64 |
| Multiplions encore une fois | 33,64 × 5,8 ≒ 195 |
Le 195 final est presque identique au 200 de départ. Autrement dit, l'estimation « la sensation ne varie que d'environ 6 fois » est cohérente avec l'écart réel de 200 fois et la formule de la racine cubique. Et la pupille ne peut gagner que 16 fois. Sur les 200 fois, l'essentiel est donc comprimé plus loin, à partir du fond de l'œil.
LycéeLycée+La pupille seule est loin de suffire
LycéeLa pupille est ouverte et fermée par un muscle en anneau, l'iris. Elle se resserre en pleine lumière et s'ouvre dans l'obscurité, par un réflexe indépendant de notre volonté. En biologie de base, on la cite comme exemple de fonctionnement des nerfs.
Lycée+On estime que l'éventail des luminosités que l'être humain peut rencontrer, de la lueur des étoiles à un champ de neige en plein midi, atteint environ 10 milliards de fois. Les 16 fois gagnées par la pupille sont dérisoires face à cet éventail. Le reste est comblé par la sensibilité des cellules réceptrices elle-même, qui change avec le temps, et par la structure des circuits qui transmettent non pas la valeur absolue de la lumière et de l'ombre, mais leur « rapport avec l'environnement ».
Univ.Pourquoi peut-on écrire la sensation comme une puissance ?
L'idée d'exprimer la relation entre l'intensité d'un stimulus et la sensation par une puissance s'appelle la loi de puissance de Stevens. Il existe aussi la loi de Weber-Fechner, qui exprime la sensation par un logarithme ; laquelle s'applique le mieux dépend du type de sensation. L'exposant de la luminosité est d'environ 0,33 à 0,5, et cet article l'a traité comme une racine cubique. Mais cette valeur varie selon la méthode de mesure. Pour un petit point lumineux montré dans le noir et pour une grande surface montrée dans une pièce éclairée, la même personne donne des valeurs différentes. Il est plus réaliste de voir les lois de la sensation comme des approximations valables selon les conditions.
📖 La forme de la formule et au-delà : Wikipédia en japonais, « Psychophysique » (présente côte à côte la loi de puissance et la loi logarithmique)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Le seuil de luminosité qui agit sur l'horloge interne Il est largement admis que la lumière du matin règle le rythme du corps. Mais quelle luminosité, pendant combien de minutes, suffit ? Cela varie aussi avec l'âge et la façon dont on a passé la veille au soir, et aucun critère unique n'est encore établi.
- La lumière extérieure et la myopie Des rapports de plusieurs pays indiquent que les enfants qui passent plus de temps dehors deviennent moins souvent myopes. On débat encore pour savoir si c'est la luminosité elle-même, le fait de regarder au loin ou la composition en couleurs de la lumière qui joue.
- La lumière artificielle la nuit Jusqu'où l'éclairage reçu la nuit affecte le sommeil et la santé varie beaucoup selon les études ; la relation entre la quantité et l'effet est encore en cours d'éclaircissement.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Les valeurs d'éclairement ne sont que des ordres de grandeur qui varient beaucoup selon le lieu et l'heure de la mesure.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés de la lumière / stimulus et réaction | L'unité de luminosité et la façon dont l'œil reçoit la lumière |
| Lycée | Biologie de base : nerfs et régulation du corps | L'ouverture de la pupille change par réflexe |
| Lycée+ | Maths : logarithmes / physique : photométrie | La figure 1, qui range sur une échelle logarithmique des grandeurs très écartées |
| Univ. | Science de la vision, psychophysique | La loi de puissance de Stevens |
| Recherche | Chronobiologie, ophtalmologie | La luminosité utile à l'horloge interne, lumière extérieure et myopie |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Plantes d'intérieur, photos ratées, effet de sortir le matin |
- Norme industrielle japonaise JIS Z 9110 « Règles générales d'éclairage » (照明基準総則) ― norme fixant les éclairements recommandés selon les lieux : bureaux, logements, etc.
- S. S. Stevens « On the psychophysical law » Psychological Review (1957) ― texte fondateur de l'idée de relier l'intensité d'un stimulus à la sensation par une puissance
- Société japonaise d'éclairagisme (照明学会), éd., « Manuel de l'éclairage » (『照明ハンドブック』) ― mesures d'éclairement en extérieur et en intérieur, et explication de l'adaptation de l'œil
- Tadashi Ōyama et al. (大山正ほか), « Invitation à la psychologie de la vision » (『視覚心理学への招待』) ― introduction à la perception de la luminosité et à l'adaptation
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faire comprendre le mécanisme. L'éclairement varie beaucoup selon le lieu, l'heure et la météo. En cas d'inquiétude sur la lumière, les yeux ou votre santé, consultez un spécialiste, par exemple un ophtalmologue.