Pourquoi les pêcheurs portent-ils des lunettes polarisantes ?
― Le reflet de l'eau, c'est de la « lumière alignée à l'horizontale »
Plus un pêcheur a de l'expérience, plus il tient à ses lunettes « polarisantes », légèrement teintées. En les mettant, le scintillement de l'eau disparaît et on distingue les cailloux et les ombres des poissons sous la surface. Des lunettes de soleil ordinaires ne font pas cet effet. En réalité, la lumière réfléchie par l'eau a une propriété particulière : sa direction de vibration s'aligne. Le verre polarisant sélectionne et arrête uniquement la lumière vibrant dans cette direction.
Une rivière, par une journée ensoleillée. Du haut d'un pont, en regardant la surface de l'eau, le ciel blanc s'y reflète et on ne distingue presque rien en dessous.
Mais à côté, un pêcheur montre du doigt : « Il y a un poisson là, à l'ombre de ce caillou. » Il porte des lunettes polarisantes.
On les emprunte, on les met : le reflet s'efface d'un coup et les cailloux du fond apparaissent nettement. En inclinant la tête sur le côté, le scintillement revient.
Deux raisons pour lesquelles seul le reflet disparaît
La lumière est une onde qui vibre perpendiculairement à sa direction de propagation. La lumière du soleil ou du ciel est un mélange de vibrations dans toutes les directions. Mais en se réfléchissant sur l'eau, il ne reste presque plus que la vibration « horizontale », parallèle à la surface.
Le verre polarisant possède une structure faite de fines rayures verticales, qui ne laisse passer que la lumière vibrant à la verticale. Le reflet, aligné à l'horizontale, est arrêté, tandis que la lumière venant de sous l'eau, aux vibrations variées, passe environ à moitié.
Des lunettes de soleil ordinaires assombrissent toute la lumière dans les mêmes proportions. Le reflet et l'ombre du poisson s'assombrissent ensemble, donc la différence de visibilité ne change pas. Les lunettes polarisantes, elles, peuvent réduire « sélectivement » le seul reflet.
À la surface de l'eau, la lumière est « triée »
Regardez la partie gauche de la figure 1. Quand la lumière venue du ciel frappe la surface de l'eau, une partie se réfléchit et le reste pénètre dans l'eau. Or, la facilité à se réfléchir dépend de la direction de vibration. La vibration horizontale, parallèle à la surface, se réfléchit plus facilement ; la vibration perpendiculaire à celle-ci pénètre plus facilement dans l'eau.
La lumière réfléchie est donc composée en grande partie de vibration horizontale. En revanche, la lumière qui revient après avoir été diffusée par un poisson ou un caillou sous l'eau a une direction de vibration désordonnée. Comme sur la partie droite de la figure 1, en plaçant un verre qui ne laisse passer que la vibration verticale, le reflet est presque entièrement arrêté, tandis que la lumière venant de sous l'eau passe.
L'angle le plus efficace : environ 37 degrés depuis la surface
Le degré d'alignement horizontal varie selon l'angle d'observation. Regardez la figure 2. Vu d'en haut, à la verticale, seuls 2 % environ de la lumière se réfléchissent, et la direction ne s'aligne pas. Plus on regarde la surface presque à l'horizontale, plus le reflet devient fort et éblouissant.
Entre les deux, il existe un angle où la lumière réfléchie devient presque entièrement horizontale. Pour l'eau, c'est une direction d'environ 37 degrés depuis la surface. C'est à peu près l'angle avec lequel, debout sur la berge, on regarde la surface de l'eau un peu plus loin. C'est justement en regardant l'eau un peu au-delà du bord que l'effet du verre polarisant est le plus grand.
À l'inverse, vu presque à la verticale, l'effet du verre polarisant devient faible. En regardant la surface presque à l'horizontale aussi, la réflexion de la vibration verticale augmente, donc le reflet ne disparaît pas complètement.
Parce qu'en faisant tourner le verre de 90 degrés, la direction qui passe change de « verticale » à « horizontale ». C'est ainsi qu'on peut vérifier si des lunettes sont polarisantes ou non. La plupart des écrans de smartphone ou de voiture émettent une lumière dont la vibration est alignée. C'est pourquoi, vues à travers des lunettes polarisantes, ces écrans peuvent paraître sombres selon l'angle.
Certains insectes aquatiques repéreraient la surface de l'eau en se guidant sur cette lumière alignée à l'horizontale. Le toit brillant et noir d'une voiture, ou une route, réfléchissent eux aussi une lumière alignée horizontalement. On rapporte ainsi des cas d'insectes pondant leurs œufs dessus, les confondant avec de l'eau.
En résumé
La lumière réfléchie par l'eau s'aligne à l'horizontale. Les lunettes polarisantes ne laissant passer que la vibration verticale, elles arrêtent sélectivement le reflet et laissent passer la lumière venant de sous l'eau. L'alignement est le plus fort dans la direction d'environ 37 degrés depuis la surface. L'expérience des pêcheurs, « avec des lunettes polarisantes, on voit les poissons », tient tout entière dans cette propriété ondulatoire de la lumière.
Un reflet n'est pas qu'une simple luminosité, c'est de la « lumière à direction alignée ».
C'est justement parce qu'elle est alignée qu'on peut l'effacer sélectivement.
Le fait qu'une même vitre soit transparente le jour et devienne un miroir la nuit est expliqué dans « Pourquoi la vitre devient-elle un miroir la nuit ? ». La lumière du ciel, elle aussi, est en réalité un peu alignée. La raison est expliquée dans « Pourquoi le ciel est-il bleu, et le coucher de soleil rouge ? ».
- Par une journée ensoleillée, trouvez une surface qui réfléchit la lumière : étang, flaque d'eau, route mouillée, vitre de voiture, etc.
- Regardez à travers des lunettes polarisantes, puis inclinez lentement la tête de 90 degrés. Observez le reflet s'intensifier ou s'atténuer.
- Changez l'angle d'observation. Comparez comment la disparition du reflet diffère entre une vue presque verticale et une vue de la surface un peu plus loin.
Sans lunettes polarisantes, on peut aussi regarder l'écran d'un smartphone de biais à travers la caméra d'un autre smartphone. En observant près de l'eau, faites attention aux rochers mouillés sous vos pieds et ne vous éloignez pas trop de la berge.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège aux matières spécialisées universitaires, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau du programme de physique au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (électromagnétisme, optique)
- RechercheUn sujet qui n'est même pas encore enseigné comme « établi » à l'université, mais activement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Polarisation : lumière dont la direction de vibration est alignée. La lumière du soleil ou d'une ampoule, dont les directions sont désordonnées, est appelée « lumière naturelle ».
- Indice de réfraction : nombre exprimant le ralentissement de la lumière dans une matière. Il vaut environ 1,33 pour l'eau.
- Angle de Brewster (angle de polarisation) : angle d'incidence pour lequel la lumière réfléchie ne vibre plus que dans une seule direction. Il vaut environ 53 degrés pour l'eau.
CollègeLycéeVérification par le calcul : trouver l'angle où le reflet est le plus aligné
On calcule, à partir de l'indice de réfraction de l'eau, l'angle (angle de Brewster) où la lumière réfléchie devient uniquement horizontale. À titre de comparaison, on calcule aussi la part de réflexion vue à la verticale. Voici la signification des symboles :
| θB | Angle de Brewster. Angle mesuré depuis la ligne verticale à la surface de l'eau (en degrés) |
| n1 | Indice de réfraction du milieu d'où vient la lumière (l'air). Environ 1,00 |
| n2 | Indice de réfraction du milieu où entre la lumière (l'eau). Environ 1,33 |
| R | Part de lumière réfléchie pour une incidence verticale |
| En symboles | tan θB = n2 ÷ n1 ／ à la verticale, R = ( (n2 − n1) ÷ (n2 + n1) )² |
| En mots | « La tangente de l'angle = indice de réfraction de l'eau ÷ indice de réfraction de l'air ». À cet angle, la lumière réfléchie ne vibre plus que dans la direction parallèle à la surface |
| D'où vient cette formule | Lorsque le rayon réfléchi et le rayon réfracté forment exactement un angle droit, la vibration verticale ne peut plus émettre de lumière dans la direction de réflexion. Cette condition d'angle droit, combinée à la loi de la réfraction (loi de Snell), donne cette relation (loi de Brewster) |
| Indice de réfraction de l'eau | Environ 1,33 |
| Indice de réfraction de l'air | Environ 1,00 |
| Réflexion presque rasante (10° depuis la surface) | Calcul : environ 35 % |
| Rapport des indices (= tan θB) | 1,33 ÷ 1,00 = 1,33 |
| Angle dont la tangente vaut 1,33 | Environ 53 degrés |
| Angle mesuré depuis la surface | 90 − 53 = 37 degrés |
| À la verticale : différence des indices | 1,33 − 1,00 = 0,33 |
| À la verticale : somme des indices | 1,33 + 1,00 = 2,33 |
| À la verticale : différence ÷ somme | 0,33 ÷ 2,33 ≒ 0,14 |
| À la verticale : mis au carré, part réfléchie R | 0,14 × 0,14 ≒ 0,02 |
| Combien de fois plus éblouissant est le rasant que la verticale | 35 ÷ 2 = 17,5 fois |
En regardant dans la direction d'environ 37 degrés depuis la surface, le reflet devient presque uniquement horizontal et peut être quasiment arrêté par le verre polarisant. Vu à la verticale, seuls environ 2 % de la lumière se réfléchissent. Vu presque à l'horizontale, cela devient environ 17 fois plus éblouissant.
LycéeLycée+La lumière est une « onde transversale », d'où la possibilité de sélectionner une direction
LycéeLa lumière est une onde transversale, qui vibre perpendiculairement à sa direction de propagation. Une onde longitudinale comme le son n'a pas de « direction de vibration » à choisir, donc elle n'a pas de propriété de polarisation. En superposant deux filtres polarisants et en faisant tourner l'un d'eux, l'ensemble devient totalement noir à 90 degrés. C'est la preuve, présentée dans les manuels, que la lumière est une onde transversale.
Lycée+L'intensité de la lumière traversant un filtre polarisant est proportionnelle au carré du cosinus de l'angle entre la direction de passage du filtre et la direction de vibration de la lumière (loi de Malus). En inclinant la tête de 45 degrés, la moitié du reflet horizontal passe.
UniversitéLes équations de Fresnel : le taux de réflexion selon la direction de vibration
Les équations de Fresnel donnent le taux de réflexion à une interface, séparément pour la vibration perpendiculaire au plan d'incidence (polarisation s) et parallèle (polarisation p). Les deux courbes de la figure 2 sont calculées à partir de ces équations. L'angle où le taux de réflexion de la polarisation p devient nul est l'angle de Brewster, dérivé des conditions de raccordement des champs électrique et magnétique à l'interface (conditions aux limites). C'est pourquoi la lumière réfléchie par l'eau est polarisée en s, c'est-à-dire alignée parallèlement à la surface.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Équations de Fresnel (Wikipédia, en japonais) ／ Angle de Brewster (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Dans quelle mesure les êtres vivants aquatiques utilisent-ils la polarisation ? On sait que certains insectes aquatiques se servent de la polarisation de la surface de l'eau comme repère. Mais la façon dont les poissons, les céphalopodes (calmars, poulpes) et d'autres animaux sous-marins utilisent la polarisation est encore étudiée espèce par espèce.
- L'effet des surfaces artificielles brillantes sur les êtres vivants. La « pollution lumineuse par polarisation », où des panneaux noirs, des vitres ou des routes attirent à tort des insectes, fait encore l'objet d'évaluations quant à son ampleur et à l'efficacité des mesures pour y remédier.
- La visibilité sur une surface agitée. Une surface d'eau réelle change constamment d'inclinaison à cause des vaguelettes. Dans quelle mesure le verre polarisant améliore alors la visibilité sous l'eau varie beaucoup selon les conditions, et ne se déduit pas de simples formules.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Sur le terrain, la turbidité de l'eau et la luminosité du ciel modifient elles aussi beaucoup la visibilité.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière・Unité | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Réflexion et réfraction de la lumière | La lumière se divise en une part réfléchie et une part qui entre dans l'eau |
| Lycée | Physique・Ondes (ondes transversales et polarisation) | Le verre polarisant ne laisse passer que la vibration verticale |
| Lycée+ | Physique・Polarisation de la lumière (approfondissement) | Loi de Malus, calcul de l'angle de Brewster |
| Université | Électromagnétisme・Optique | Équations de Fresnel, polarisations s et p |
| Recherche | Écologie visuelle・Étude de la pollution lumineuse | Usage de la polarisation par les êtres vivants, méprises causées par des objets artificiels |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pêche, conduite, reflets sur la neige en montagne, filtres polarisants en photographie |
- Wikipédia « Angle de Brewster » (ブリュースター角)
- Wikipédia « Équations de Fresnel » (フレネルの式)
- Wikipédia « Polarisation » (偏光)
- E. Hecht, "Optics", Pearson (chapitre sur la polarisation et la réflexion)
- G. Horváth et al., "Polarized light pollution: a new kind of ecological photopollution", Frontiers in Ecology and the Environment, 2009
※Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères ou des estimations destinés à comprendre le mécanisme. Les taux de réflexion sont des valeurs calculées en supposant une surface d'eau plane et calme. Près de l'eau, faites attention à vos pas et aux conditions météo.