Aujourd’hui vous rayonnez, même si comme moi vous êtes d’humeur chagrine parce que la limite des chutes de neige est montée au-dessus de 2000 m. Vous rayonnez parce que vous êtes constitué d’atomes qui vibrent et émettent de l’énergie. Dans cet article, nous plongeons au cœur de la matière pour tenter d’y voir clair sur la notion de rayonnement. Vous allez tout comprendre !
Tout corps de température supérieure à -270 °C émet un rayonnement et perd de ce fait une certaine quantité d’énergie ; s’il n’en reçoit pas en retour, un corps se refroidira donc de manière constante et progressive. Sa température à un moment donné est donc déterminée par ce que l’on appelle le « bilan radiatif », soit la différence entre l’énergie qu’il émet et celle qu’il reçoit. Ainsi, la vie sur Terre n’est possible que parce que le soleil – pourtant distant de 150 millions de kilomètres de notre planète – lui fournit en continu de l’énergie sous forme de rayonnement, compensant ainsi l’énergie perdue, elle aussi par rayonnement.
Pour expliquer simplement tout cela, imaginons que vous vous promenez dans votre jardin et que vous tombez sur un tuyau d’arrosage traînant par terre. Joueur, vous saisissez l’extrémité du tuyau et le secouez de haut en bas. Si tout se passe normalement, vous devriez voir s’éloigner de vous une sorte de vague portée par le tuyau : c’est une onde, laquelle transmet le long du tuyau l’énergie fournie par votre main. Si vous répétez le mouvement plusieurs fois, c’est non pas une seule, mais un train d’ondes que vous verrez s’éloigner, et cela alors même que ni le tuyau ni aucune de ses parties ne se sera déplacé dans cette même direction.
Ainsi, une onde à ceci de particulier qu’elle se déplace dans un milieu qui lui-même reste immobile. De nombreux types d’ondes se propagent ainsi dans différents milieux. C’est le cas par exemple des vagues de l’océan, qui lorsqu’elles vous atteignent vous soulèvent et vous redéposent, mais sans vous déplacer (à moins d’être pris dans le rouleau qui s’écroule sur la plage). C’est le cas également des ondes sonores qui ont besoin de l’air, de l’eau ou d’un autre support pour se déplacer ; ainsi lorsque quelqu’un vous parle, même fort et de très près, vous l’entendez sans pour autant avoir du vent dans les oreilles (ou alors il est vraiment très très fâché !).
Certaines ondes enfin, n’ont besoin d’aucun support pour se propager ; elles se déplacent dans le vide… Le rayonnement solaire est de ce type-là !
Une onde a toujours pour origine un mouvement – donc de l’énergie – qu’il s’agisse d’atomes, de vos cordes vocales ou du vent sur la mer. C’est cette énergie qui est transmise par l’onde à travers un milieu (ou le vide).
Une onde sinusoïdale telle que celles envoyées par le soleil (et schématisée ci-dessus) peut être définie par plusieurs variables :
La quantité d’énergie transportée par une onde dépend essentiellement de sa fréquence, donc de sa longueur d’onde. Plus la fréquence est élevée (ou la longueur d’onde petite), plus l’énergie transportée est grande. Elle dépend également, dans une moindre mesure, de l’amplitude.
Les paramètres listés ci-dessus définissent la façon dont une onde se manifeste à nous concrètement.
Prenons l’exemple des ondes sonores : une fréquence élevée (ou une petite longueur d’onde) donnera un son aigu ; une fréquence basse donnera un son grave. Une grande amplitude donnera un son très fort et une petite amplitude un son faible.
La nature exacte du rayonnement solaire a nourri la controverse du XVIIème au XIXème siècle. Grossièrement résumé, Newton soutint que la « lumière » était composée de particules et Huygens affirma à l’inverse qu’elle était composée d’ondes. Une expérience réalisée en 1850 sembla clore le débat en faveur de la théorie ondulatoire de la lumière, au grand dam des admirateurs de Newton. Quinze ans plus tard, en 1865, le savant James Clerk Maxwell parvint à montrer que la lumière était liée à l’oscillation d’un champ électrique et magnétique (les deux étant intimement liés), ce qui permit de la définir comme une onde électromagnétique. Le fin mot de l’histoire revint toutefois à Albert Einstein, en 1905, lorsqu’il émit l’idée que l’énergie était transmise par la lumière sous formes de « paquets » (appelés quanta puis plus tard « photons ») ayant des caractéristiques corpusculaires et ondulatoires (comme toutes les particules élémentaires, concept qui est à la base de la physique quantique). En gros, il mit tout le monde d’accord, et il est admis aujourd’hui que la lumière est de nature à la fois corpusculaire et ondulatoire.
Le soleil émet donc des ondes électromagnétiques – liées au mouvement des atomes qui le composent – lesquelles se propagent dans le vide à la vitesse extraordinaire de 300'000 km par seconde ; il leur faut environ 8 minutes pour atteindre la Terre. Comme les ondes sonores, les ondes électromagnétiques émises par le soleil se caractérisent par les variables listées ci-dessus (longueur d’onde, fréquence, etc…). Or il se trouve que la gamme des ondes solaires est très étendues (on l’appelle le « spectre » solaire). Ce que nous appelons « lumière » n’est qu’une fraction de ce spectre (appelé « visible »), celle qui est perceptible par ce magnifique outil dont nous disposons : l’œil ! Mais fondamentalement, il n’y a aucune différence entre la lumière, les ondes de votre four à micro-ondes, les rayons X de votre radiologue ou les ondes radio de votre station FM préférée ; elles sont toutes de même nature, et certains instruments, comme les caméras infrarouges par exemple, permettent de voir celles que notre œil ne peut pas voir. C’est toutefois dans le spectre visible que le soleil émet le plus de rayonnement.
Les ondes des fréquences supérieures au spectre visible sont nocives pour la vie sur Terre, en particulier parce que la grande quantité d’énergie qu’elles véhiculent est susceptible d’endommager l’ADN des êtres vivants. Si la vie a pu se développer sur Terre, c’est parce que l’atmosphère qui nous environne capte (au moyen des molécules d’oxygène, d’azote et d’ozone notamment) ce rayonnement à haute énergie avant qu’il atteigne la surface du globe.
Le rayonnement est un vaste sujet, bien trop vaste pour être épuisé par un seul article de ce blog. Nous pourrons revenir à l’occasion sur certaines thématiques qui lui sont liées, comme par exemple le bilan radiatif de la Terre, l’albédo ou encore les propriétés radiatives particulières de la neige. Concernant les propriétés des ondes du spectre visible, nous vous renvoyons à l’article du 6 janvier 2023 consacré aux couleurs.