Arroser par beau temps fait-il vraiment brûler les feuilles à cause des gouttes d'eau ?
― Pour une feuille ordinaire, le point de convergence de la lumière se trouve bien plus bas que la feuille
« Arroser les feuilles en plein soleil fait brûler les feuilles, car les gouttes d'eau agissent comme des loupes. » C'est une croyance courante en jardinage. Pourtant, si l'on calcule le trajet de la lumière à partir de la forme de la goutte, pour une feuille ordinaire, la lumière ne converge jamais en un seul point sur la feuille. Des brûlures ne sont possibles que dans des conditions bien particulières.
C'est un jour de beau temps, en milieu de journée, et les plantes en pot sur le balcon ont l'air flétries. Au moment de prendre l'arrosoir, un souvenir resurgit : « Ne mouille pas les feuilles en journée, ça les fait brûler. »
Il est vrai que les gouttes d'eau sur les feuilles brillent au soleil comme de petites billes de verre. Il ne semble pas absurde que le même phénomène qui fait brûler du papier sous une loupe se produise aussi sur une feuille.
Mais est-ce vraiment le cas ? Les gouttes d'eau courbent bien la lumière, c'est certain. La question est de savoir « où » cette lumière courbée finit par converger.
Deux raisons seulement expliquent pourquoi une feuille ordinaire ne brûle pas
Une goutte posée sur une feuille n'est pas parfaitement sphérique : elle a la forme d'un petit pain, plate à sa base. Une lentille de cette forme ne courbe la lumière que faiblement, et le point de convergence se situe plusieurs millimètres sous la feuille. Or, la plupart des feuilles mesurent moins de 0,5 mm d'épaisseur : la lumière traverse donc la feuille avant même d'avoir fini de converger.
Le calcul montre que la luminosité sous la goutte n'atteint même pas le double de celle du plein soleil. De plus, l'eau absorbe de la chaleur en s'évaporant. L'endroit où se trouve la goutte est donc plutôt refroidi par rapport à son environnement.
Une loupe fait brûler le papier parce qu'elle concentre toute la lumière en un point minuscule, exactement à la surface du papier. Si la mise au point n'est pas exacte, la même lentille ne brûle rien. Dans le cas des gouttes d'eau, cette mise au point se situe presque toujours hors de la feuille.
Alors, où converge vraiment la lumière ?
Quand la lumière passe de l'air à l'eau, elle change de direction à la frontière entre les deux milieux. La surface supérieure de la goutte étant bombée, les rayons passant par les bords sont courbés plus vers l'intérieur, ce qui resserre le faisceau. Jusqu'ici, c'est le même principe qu'une loupe.
Ce qui diffère, c'est l'intensité de ce resserrement. Regardez la partie gauche de la Figure 1. Même pour une goutte en forme de demi-sphère, le point de convergence se situe environ 6 mm sous la surface de la feuille. Plus la goutte est plate, plus ce point s'enfonce encore. À la surface de la feuille, le faisceau n'est que légèrement rétréci.
Alors, les feuilles ne brûlent-elles jamais ?
En 2010, une équipe de recherche hongroise a vérifié cette croyance par l'expérience. En posant des gouttes d'eau sur des feuilles à surface lisse, comme celles de l'érable ou du ginkgo, puis en les exposant à un soleil intense, aucune trace de brûlure n'est apparue.
En revanche, chez une fougère aquatique, des traces de brûlure sont apparues sur les feuilles. Cette feuille est recouverte d'une multitude de petits poils hydrofuges. La goutte d'eau reste parfaitement sphérique sur ces poils, légèrement surélevée par rapport à la feuille. Une lentille en forme de bille sphérique courbe fortement la lumière, et son point de convergence se trouve juste en dessous de la bille. Et c'est précisément à cet endroit que se trouve la surface de la feuille (partie droite de la Figure 1).
L'équipe de recherche a également vérifié qu'une bille de verre posée sur une feuille produit la même brûlure. Cela signifie qu'il n'est pas exact de dire que « les gouttes d'eau ne brûlent jamais ». La réponse exacte est plutôt : « une goutte d'eau sur une feuille ordinaire n'est simplement pas au point ».
On recommande d'éviter d'arroser en plein midi en été, surtout pour d'autres raisons. L'eau stagnant dans un tuyau exposé au soleil peut devenir chaude comme de l'eau bouillante. La verser brusquement au pied de la plante risque alors d'endommager les racines. De plus, en journée, l'eau s'évapore rapidement, ce qui réduit la quantité réellement absorbée par la plante. Si une plante flétrie vous inquiète, il suffit de laisser couler l'eau du tuyau un moment jusqu'à ce qu'elle refroidisse avant d'arroser : cela reste possible même en plein jour.
En résumé
Une goutte d'eau posée sur une feuille est bel et bien une lentille. Mais sa forme aplatie à la base décale son point de convergence plusieurs millimètres sous la feuille, et la luminosité en surface n'atteint même pas le double du plein soleil. Les brûlures ne surviennent que dans un cas particulier : quand la goutte, soulevée par des poils, reste parfaitement sphérique en suspension au-dessus de la feuille.
Une lentille ne peut brûler que si elle est bien mise au point.
Sur une feuille ordinaire, la goutte d'eau n'est pas au point.
Ce qui se passe quand la lumière converge exactement en un point est expliqué en détail dans Pourquoi une loupe peut-elle enflammer du papier ?. Le mécanisme de la courbure de la lumière à la frontière entre l'eau et l'air est également abordé dans Pourquoi une paille plongée dans l'eau paraît-elle cassée ?.
- Déposez une goutte d'eau avec une pipette sur une pochette plastique transparente. Par beau temps, placez une feuille de papier blanc en dessous.
- Soulevez progressivement la pochette au-dessus du papier, et cherchez la hauteur à laquelle le point lumineux au centre de l'ombre de la goutte devient le plus petit possible.
- Ensuite, posez la pochette avec la goutte directement contre le papier. Comparez comment se transforme le point lumineux.
Le point lumineux devrait être le plus petit lorsque la pochette est soulevée de quelques millimètres à environ 1 cm. Posée directement sur le papier, l'image devient floue. C'est exactement ce qui se produit avec une feuille ordinaire. Attention : ne regardez jamais le soleil directement.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque point est précisé
- Collègeniveau vu en sciences au collège
- Lycéeniveau vu en physique au lycée
- Lycée+niveau avancé du lycée, ou encadré de manuel
- Universiténon vu au lycée : matière universitaire spécialisée (optique, science des interfaces)
- Recherchesujet encore à l'étude par les chercheurs, pas encore enseigné comme un fait établi à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Réfraction : changement de direction de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre, par exemple de l'air à l'eau, à leur frontière.
- Foyer : point où convergent des rayons parallèles après avoir traversé une lentille. Un papier placé à cet endroit devient le plus chaud et le plus lumineux.
- Angle de contact : angle formé, au bord de la goutte, entre la surface de la feuille et la surface de l'eau. Plus il est petit, plus la goutte est aplatie ; plus il est grand, plus elle est ronde.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle est la luminosité en surface de la feuille ?
Considérons une goutte en demi-sphère de 4 mm de diamètre. C'est une forme plutôt ronde pour une goutte sur une feuille, donc favorable à la concentration de la lumière. Calculons quand même la luminosité obtenue en surface de la feuille.
| En notation symbolique | f ＝ n × R ÷ ( n − 1 ) C ＝ ( f ÷ ( f − h ) )² |
| En mots | Profondeur jusqu'au foyer ＝ indice de réfraction de l'eau × rayon de courbure de la goutte ÷ (indice de réfraction − 1). Facteur de luminosité en surface ＝ (profondeur jusqu'au foyer ÷ distance entre la surface de la feuille et le foyer) au carré |
| Origine de ces formules | La première formule découle de la réfraction à une seule frontière sphérique entre l'air et l'eau (la loi de Snell approximée pour des rayons proches de l'axe). La seconde traduit le fait que la quantité de lumière reste constante : la luminosité augmente dans la même proportion que diminue la section du faisceau |
| f | profondeur entre le sommet de la goutte et le foyer (en mm) |
| n | indice de réfraction de l'eau (sans unité) |
| R | rayon de courbure de la surface bombée de la goutte (en mm) |
| h | hauteur de la goutte (en mm) |
| C | facteur multiplicateur de la luminosité en surface par rapport au plein soleil (sans unité) |
| Indice de réfraction de l'eau | 1,33 |
| Rayon de courbure de la goutte (demi-sphère, diamètre 4 mm) | 2 mm |
| Hauteur de la goutte (égale au rayon, car demi-sphère) | 2 mm |
| Indice de réfraction × rayon | 1,33 × 2 ＝ 2,66 |
| Indice de réfraction − 1 | 1,33 − 1 ＝ 0,33 |
| Profondeur jusqu'au foyer f (mm) | 2,66 ÷ 0,33 ≒ 8,06 |
| Distance entre la surface de la feuille et le foyer (mm) | 8,06 − 2 ＝ 6,06 |
| Rétrécissement de la largeur du faisceau (inverse) | 8,06 ÷ 6,06 ≒ 1,33 |
| Facteur de luminosité C | 1,33 × 1,33 ≒ 1,77 |
Le foyer se situe environ 6 mm sous la surface de la feuille, bien plus profond que l'épaisseur de la feuille (≤ 0,5 mm). La luminosité à la surface de la feuille ne dépasse donc qu'environ 1,8 fois celle du plein soleil. Une loupe, elle, concentre la lumière du soleil des centaines de fois en un point précisément au point : l'écart d'ordre de grandeur est considérable. Et cette luminosité est encore atténuée par l'évaporation, qui absorbe de la chaleur.
LycéeLycée+Pourquoi seule une goutte sphérique peut-elle être au point
LycéeLe lycée enseigne la loi de la réfraction (le rapport des indices de réfraction égale le rapport des sinus de l'angle d'incidence et de l'angle de réfraction) ainsi que la distance focale des lentilles convergentes. Plus la courbure de la surface d'une lentille est marquée, plus sa distance focale est courte. Une goutte aplatie, dont la surface est peu courbée, a donc un foyer plus lointain.
Lycée+Une goutte parfaitement sphérique courbe la lumière deux fois : à l'entrée et à la sortie. Pour des rayons proches de l'axe, le foyer se situe, derrière la face arrière de la goutte, à une distance proche du rayon de courbure lui-même. Pour une goutte soulevée de cette distance par des poils, le foyer coïncide alors exactement avec la surface de la feuille. C'est ce qui se passe dans la partie droite de la Figure 1.
UniversitéLes limites de l'approximation paraxiale et la physique du mouillage
Le calcul présenté ici utilise l'approximation paraxiale, qui ne considère que les rayons proches de l'axe. Pour une vraie goutte, les rayons passant par les bords convergent plus en avant : c'est l'aberration sphérique, qui transforme le point focal en une zone allongée plutôt qu'un point unique. Pour une étude précise, on utilise le tracé de rayons, qui suit chaque rayon individuellement à l'aide de la loi de Snell. La forme de la goutte résulte de l'équilibre entre la tension superficielle et la surface de la feuille ; l'angle qui en résulte est appelé angle de contact, décrit par l'équation de Young. Un état où cet angle dépasse 150 degrés, souvent obtenu grâce à de petits poils ou des aspérités, est appelé superhydrophobie.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : La loi de Snell (Wikipédia, en japonais) ／ Mouillage et angle de contact (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore mal connu
- À quelle fréquence cela se produit-il en plein air ? Les expériences ont confirmé la possibilité de brûlures, mais on ne sait pas bien quelle part des brûlures observées sur les feuilles en extérieur est réellement due aux gouttes d'eau.
- Les poils des feuilles ont-ils aussi pour fonction d'empêcher la concentration de la lumière ? La plupart des feuilles poilues font flotter les gouttes, mais selon la longueur et la densité des poils, le foyer peut se retrouver hors de la feuille. La relation entre la forme des poils végétaux et la lumière commence seulement à être étudiée.
- Les gouttes d'eau transportent-elles d'autres nuisances ? Il existe une autre raison d'éviter l'arrosage en journée : les feuilles mouillées seraient plus sensibles aux maladies. Mais l'ampleur de cet effet selon les conditions varierait d'une plante à l'autre.
Le contenu de cet article reflète donc « l'explication en l'état actuel des connaissances ». Pour une feuille ordinaire, les expériences actuelles indiquent qu'il n'y a pas lieu de s'inquiéter excessivement.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 4e, « réfraction de la lumière », « lentilles convergentes » | La goutte d'eau comme lentille, position du foyer |
| Lycée | Physique, « loi de la réfraction », « lentilles » | Pourquoi une lentille plate a un foyer plus lointain |
| Lycée+ | Physique (avancé), réfraction sur surface sphérique | Le foyer d'une goutte sphérique situé en arrière, à environ un rayon de distance |
| Université | Optique, science des interfaces | Aberration sphérique, tracé de rayons, angle de contact et équation de Young |
| Recherche | Physiologie végétale, optique du vivant | Fréquence en milieu naturel, lien entre poils foliaires et lumière |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pour arroser en journée, il suffit de faire attention à l'eau chaude stagnant dans le tuyau |
- Egri, Horváth, Kriska, Horváth (2010) Optics of sunlit water drops on leaves: conditions under which sunburn is possible. New Phytologist 185
- Hecht, « Optique » (éd. Maruzen)
- de Gennes, Brochard-Wyart, Quéré, « Gouttes, bulles, perles et ondes » (éd. Yoshioka Shoten)
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), « Rika Nenpyō » (Annuaire scientifique, éd. Maruzen) ― indice de réfraction de l'eau
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs présentées sont des repères et des approximations destinées à faciliter la compréhension du mécanisme. Les résultats varient selon la forme de la goutte et les propriétés de la feuille. Lors des expériences, ne regardez jamais directement le soleil ou la lumière concentrée par une lentille.