Pourquoi l'eau de mer est-elle bleue ?
– Une raison sans rapport avec le bleu du ciel
Par beau temps, la mer brille d'un bleu éclatant. Vous pensez peut-être qu'elle « reflète simplement le bleu du ciel ». En réalité, on a constaté que la mer paraît bleutée même par temps couvert, et que l'eau elle-même a une légère teinte bleu-vert. Le bleu de la mer naît d'un mécanisme complètement différent de celui du ciel.
Imaginez une grande baignoire blanche remplie à ras bord. En petite quantité, l'eau paraît presque incolore et transparente. Mais avec la profondeur et le volume d'une piscine, l'eau elle-même prend parfois une légère teinte bleu-vert.
Elle ne reflète pas le ciel, et rien n'y est dissous. Pourtant, il suffit d'accumuler beaucoup d'eau pour qu'elle paraisse colorée.
Les molécules d'eau auraient la propriété d'absorber un peu la lumière rouge (grande longueur d'onde) et très peu la lumière bleue (courte longueur d'onde).
Plus la lumière avance dans l'eau, plus la lumière rouge est absorbée en premier et s'éteint ; la lumière bleue survivante est diffusée et parvient à nos yeux.
Voyons tour à tour cette « absorption par l'eau elle-même » et ce « changement de couleur selon la profondeur ».
L'eau elle-même absorbe légèrement la lumière rouge
Les molécules d'eau n'absorbent pas toutes les couleurs (longueurs d'onde) de la même façon. On considère qu'elles absorbent un peu plus les grandes longueurs d'onde, comme le rouge et l'orange, que les courtes, comme le bleu. Dans un verre d'eau, la différence est infime et passe inaperçue. Mais dans une piscine ou dans la mer, où la quantité d'eau (la distance parcourue par la lumière) est bien plus grande, ce petit écart s'accumule et devient une différence de couleur bien nette.
Plus on descend, plus le rouge disparaît : le bleu reste seul
La lumière du Soleil mélange toutes les couleurs (longueurs d'onde), du rouge au violet. Lorsqu'elle pénètre dans l'eau, la lumière rouge, de grande longueur d'onde, est absorbée en premier et a presque entièrement disparu après quelques mètres. L'orange, puis le jaune, à mesure que la longueur d'onde diminue, descendent un peu plus profond. Seule la lumière bleue, de plus courte longueur d'onde, atteint des profondeurs relativement grandes ; elle rencontre des molécules d'eau et de minuscules particules en suspension, est diffusée, et une partie remonte vers la surface. Ce qui parvient à nos yeux, c'est donc cette « lumière bleue rescapée jusqu'au bout ».
Si le bleu de la mer n'était que le reflet du ciel, la mer devrait paraître grise par temps couvert. Or, même sous un ciel nuageux, elle garde une légère teinte bleutée. De plus, dans une piscine, où le reflet du ciel est faible, l'eau prend aussi une teinte bleu-vert. Ces indices montrent que le bleu de la mer tient à la nature de l'eau elle-même.
Elle est bleue parce que l'eau elle-même avale sélectivement la lumière rouge.
Pourquoi la couleur change-t-elle selon les endroits ?
Au large, une mer limpide est d'un bleu profond, alors que près des côtes elle paraît souvent verdâtre ou brunâtre. C'est parce que le phytoplancton (qui contient un pigment vert, la chlorophylle) et les grains de sable ou de boue apportés par les fleuves influencent l'absorption et la diffusion de la lumière, indépendamment de l'eau elle-même. Là où le plancton abonde, la mer tire sur le vert ; près des côtes troubles, elle tire sur le brun.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Remplissez d'eau, le plus profondément possible, un grand récipient blanc (seau ou baignoire)
- Avec une feuille blanche ou un carreau visible au fond, regardez à travers l'eau, bien à la verticale
- Comparez la teinte entre la partie peu profonde et la partie profonde
- Si possible, observez aussi la différence de couleur entre les eaux peu profondes et profondes d'une piscine ou de la mer
Plus l'eau est profonde, plus la lumière parcourt de distance, et vous pouvez sentir que la part de lumière rouge absorbée augmente.
En résumé
L'eau de mer est bleue non parce qu'elle reflète le ciel, mais parce que l'eau elle-même absorbe légèrement la lumière rouge et très peu la lumière bleue. Plus la lumière s'enfonce, plus le rouge est absorbé en premier et disparaît, et la lumière bleue, rescapée jusqu'au bout, est diffusée et parvient à nos yeux. Même si la couleur est la même, le bleu du ciel naît d'un mécanisme tout à fait différent.
Le bleu du ciel résulte d'une lumière « dispersée ».
Le bleu de la mer résulte d'une lumière « choisie pour survivre ».
Le tri de la lumière par longueur d'onde est aussi expliqué dans l'article sur l'arc-en-ciel après la pluie. Pour le mécanisme du bleu du ciel lui-même, lisez cet article. Si c'est le goût de la mer, plutôt que sa couleur, qui vous intrigue, nous vous conseillons aussi Pourquoi l'eau de mer est-elle salée ?
Pour savoir ce que ressent un petit être vivant qui nage dans cette eau, lisez Pourquoi l'eau est-elle aussi visqueuse que du miel pour une daphnie ?
Pour aller plus loin – termes, valeurs et lien avec les manuelsDu collège à la recherche en cours : le niveau de chaque sujet est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « physique de base » au lycée
- Lycée+Contenu approfondi ou encadré des manuels de lycée
- Univ.Matière spécialisée universitaire (physique de l'océan), non enseignée au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots de la couleur de la mer
- Absorption : l'énergie de la lumière est captée par la matière, et la lumière de cette couleur s'affaiblit.
- Diffusion : la lumière heurte des particules ou des molécules et repart dans toutes les directions.
- Longueur d'onde : la longueur de répétition de l'onde, qui fixe la couleur de la lumière. Longue pour le rouge, courte pour le bleu.
LycéeVérifier par une formule : à 10 m de profondeur, que reste-t-il de rouge et de bleu ?
On considère que, dans l'eau, la lumière s'affaiblit à chaque mètre de profondeur selon une proportion constante. Cette relation permet de comparer ce qui reste de lumière rouge et de lumière bleue.
Intensité restante = intensité initiale × (taux restant par mètre) puissance profondeur
| Taux restant de lumière rouge | 60 % par mètre (valeur indicative) |
| Taux restant de lumière bleue | 95 % par mètre (valeur indicative) |
* Les taux réels varient beaucoup selon la mer et la transparence de l'eau. Ces valeurs indicatives servent seulement à mieux imaginer la différence entre le rouge et le bleu.
| Lumière rouge (0,6 puissance 10) | 0,6 × 0,6 × … (10 fois) ＝ environ 0,006 (0,6 %) |
| Lumière bleue (0,95 puissance 10) | 0,95 × 0,95 × … (10 fois) ＝ environ 0,60 (60 %) |
| Résultat | À 10 m de profondeur, la lumière rouge a presque disparu, alors qu'il reste environ 60 % de la lumière bleue |
Après seulement 10 m, la lumière rouge tombe sous 1 % de son intensité initiale, alors qu'il reste plus de la moitié de la lumière bleue. C'est l'accumulation de cet écart qui rend l'eau profonde bleue. Si un plongeur regarde sous l'eau un objet rouge (son propre sang, par exemple), il paraît noirâtre en profondeur : on attribue cela à l'absorption de la lumière rouge.
Lycée+Pourquoi l'eau absorbe-t-elle plus facilement la lumière rouge ?
Quand une molécule d'eau (H₂O) absorbe de la lumière, ses liaisons internes vibrent en s'allongeant et se raccourcissant légèrement. L'énergie qui déclenche facilement cette vibration (une composante appelée harmonique) se trouve, par hasard, proche de l'énergie de la lumière rouge ; on pense donc que le rouge est absorbé plus facilement que le bleu. La légère couleur de l'eau pure vient de cette propriété de la molécule.
Univ.La classification des couleurs de la mer en physique de l'océan
En physique de l'océan, on distingue les eaux limpides du large, dont la couleur dépend des propriétés d'absorption de l'eau elle-même (eaux de type 1), et les eaux côtières, fortement influencées par le plancton et les sédiments (eaux de type 2). La technique de la « télédétection de la couleur de l'océan », qui estime la concentration en chlorophylle et la qualité de l'eau en observant la mer depuis des satellites, repose aussi sur cette idée.
RechercheCe qui reste incertain
- Les valeurs très précises du spectre d'absorption de l'eau (quelle longueur d'onde est absorbée, et de combien) varieraient légèrement selon la température, la pression et les substances dissoutes ; les mesures précises dans des conditions extrêmes, comme les grands fonds, se poursuivent.
- La technique permettant de distinguer finement les espèces de plancton à partir de l'observation satellitaire de la couleur de la mer reste un domaine de recherche dont on cherche à améliorer la précision.
- Suivre sur de longues périodes les changements de couleur des océans permet aussi d'étudier l'effet du changement climatique sur les écosystèmes marins.
Le simple bleu de la mer renferme un thème riche, toujours étudié, où se croisent la physique de la lumière et les sciences de l'océan.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés de la lumière | Termes de base : absorption, diffusion, longueur d'onde |
| Lycée | Physique de base : ondes (approfondissement) | Calcul de la lumière restante selon la profondeur |
| Lycée+ | Chimie : vibration des molécules (approfondissement) | Lien entre vibration de la molécule d'eau et absorption du rouge |
| Univ. | Physique de l'océan | Classification des eaux de type 1 et 2, télédétection de la couleur de l'océan |
| Recherche | Sciences de l'océan (en cours) | Mesure précise des spectres d'absorption, identification des espèces de plancton, lien avec le changement climatique |
- Explications sur les propriétés optiques de l'eau et la couleur de la mer dans les manuels de physique de l'océan.
- Explications sur le mécanisme d'absorption de la lumière rouge par les molécules d'eau dans les documents d'optique et de spectroscopie.
- Explications sur l'observation satellitaire de la couleur de la mer et l'estimation de la chlorophylle dans les documents de télédétection.
* Les valeurs de taux de lumière restante sont indicatives, pour comprendre le mécanisme. Les valeurs réelles varient beaucoup selon la mer et la transparence de l'eau.
* Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des estimations approximatives, destinées à faire comprendre le mécanisme. Les valeurs réelles varieraient beaucoup selon la mer et les conditions.