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Qu’est-ce-que la lumière?
La lumière est une forme d’énergie. La transmission de cette énergie s’effectue sous forme de rayonnement. La lumière ne correspond qu‘à une petite partie du spectre de l’ensemble du rayonnement, qui s’étend du rayonnement cosmique de courte longueur d’onde à l’énergie électrique produite par l’homme.
L‘atmosphère de la Terre laisse passer le spectre de rayonnement optique de la lumière qui s’étend des longueurs d’ondes λ = 100 nm (ultraviolet) à λ = 1 mm (infrarouge).
Le spectre de lumière visible par l’homme (arc-en-ciel) s’étend entre les longueurs d’onde λ = 380 et 780 nm, avec une vision maximale à λ = 555 nm.
La lumière colorée ne montre qu’une fraction du spectre, la lumière blanche contient beaucoup plus, voir toutes les parties du spectre.
Le spectre d’une lampe à vapeur de sodium apparaît à nos yeux jaune-orange. Température de couleur 2000K.
Le spectre de cette lampe LED nous apparaît blanc avec un ton dans le jaune clair. Température de couleur 2200K. Par définition, blanc-chaud ≈ 3’000K. Cette lampe est plus chaude.
Le spectre d’une lampe LED blanc-froid apparaît blanc à nos yeux, avec un ton éblouissant ou vif dans le bleu. Température de couleur 5200K.
Les ondes des sources de lumière incandescentes oscillent dans toutes les directions. Quand la lumière ne se n’oscille que dans un plan, elle est totalement polarisée. La lumière polarisée se produit par interaction avec des surfaces sur lesquelles elle se reflète ou se propage. Il y a ainsi une polarisation naturelle de la lumière reflétée sur la surface de l’eau ou de la lumière bleue diffusée dans le ciel. Certaines espèces (par ex. les abeilles) utilisent cette propriété pour leur orientation. Et les photographes utilisent un filtre polarisant pour supprimer la lumière polarisée, de sorte que le contraste du ciel ou des surfaces brillantes apparaisse mieux.
Onde ou particules?
Toutes les propriétés de la lumière ne s’expliquent pas des ondes. C’est pourquoi il existe une autre représentation de la lumière sous forme de particules. Elle est propagée sous forme de quanta (un quantum de lumière correspond à une quantité de lumière de fréquence donnée, ou d’énergie) appelés photon. Les particules de lumières, donc les photons eux-mêmes, sont invisibles. Les photons ne sont rendus visibles que par interaction avec un récepteur (rétine, puce de capteur, film, papier photo, matière, gaz). Cela signifie que nous ne voyons jamais la lumière dans le vide, et dans l’air seulement si elle se répand sur l’azote, l’eau, ou rencontre la rétine de nos yeux.
Les photons se déplacent en ligne droite jusqu’à ce qu’ils rencontrent un obstacle et interagissent avec autre chose. Autrement dit : les rayons lumineux sont rectilignes et non courbés. D’après Albert Einstein, il existe cependant une exception : en présence d’objets de masse importante (par ex. notre Soleil), les photons sont déviés par la force gravitationnelle. Il est possible de leur attribuer une masse relative, même s’ils n’ont aucune masse au repos.
La lumière bleue a une longueur d’onde courte et une fréquence haute.
La lumière rouge a une longueur d’onde longue et une fréquence basse.
Par conséquent, la lumière bleue a une énergie plus élevée que la lumière rouge.
Comment mesurer et comparer la lumière?
D’une façon générale, pour mesurer la lumière, il faut capter et compter les photons. Les appareils numériques ne font rien d’autre dans leurs puces de capteurs (le plus souvent CCD = Charged-Coupled Device). Le fonctionnement est le même qu’une cellule photovoltaïque. Mais au lieu de produire de l’électricité directement à partir de lumière, elles collectent les électrons et les restituent ensuite par pixel. Auparavant, c’était le film photo analogique qui captait les photons dans une réaction chimique avec des ions d’argent.
Flux lumineux
Le Flux lumineux Φ correspond au flux énergétique ou puissance rayonnée d’une source lumineuse et est mesuré en Lumen [lm]. Lors de l‘achat d’une lampe, cette donnée est indiquée sur l’emballage.
Intensité lumineuse
On peut exprimer l’intensité lumineuse d’une source de lumière ponctuelle en candela [cd]. La candela („bougie“ en latin) est une unité de base du Système international SI.
Une source lumineuse ponctuelle d’1 candela qui rayonne de manière constante dans un angle solide d’1 stéradian [sr] (soit sur une aire d’un mètre carré à la surface d’une sphère de rayon égal à un mètre) produit exactement un flux lumineux de 1 lm = 1 cd·sr.
Éclairement lumineux
Si un flux lumineux rencontre une surface plane A, l’éclairement lumineux E exprimé en lux [lx] est défini par E = Φ / A, soit en [lm/m2].
Dans les normes d’évaluation des besoins ou des nuisances, les valeurs Eh ou Ev sont souvent exigées. Elles désignent respectivement l’éclairement lumineux sur des surfaces horizontales (par ex. des passages piétons) ou verticales (fenêtre de chambre à coucher).
La lumière qui tombe sur une surface éclairée, donc l’éclairement lumineux, n’est pas identique à la lumière qui est reflétée par un plan. Un terrain de football, par exemple, a une réflectivité d’environ 0.2, ce qui signifie qu’un cinquième seulement de la lumière exigée dans la norme est perceptible sur la pelouse.
Luminance
Si nous voulons mesurer la quantité de lumière reflétée par cette surface, nous devons mesurer la luminance L d’unité [cd/m2] de la pelouse, ou intensité lumineuse par unité de surface.
L’appareil servant à la mesure de la luminance peut cibler la lumière d’une source réfléchissante ou rayonnante et l’estimer à l’intérieur d’un petit angle (1°). En répétant la mesure, la précision statistique augmente. Il faut aussi éviter, par exemple, qu’une lumière extérieure vienne interférer dans la mesure.
L’efficacité d’une source lumineuse est exprimée en Lumen par Watt [lm/Watt]. Elle indique seulement la quantité de lumière qui est obtenue par la puissance électrique issue d’une prise de courant. Malheureusement, une efficacité lumineuse plus élevée ne signifie pas automatiquement que la lumière est mieux adaptée pour l’environnement. Cela n’est vrai que pour la consommation électrique, si l’on peut produire avec moins d’énergie électrique la même quantité de lumière qu’avant. Ce n’est cependant bien souvent pas vrai en ce qui concerne le spectre, puisque des LED plus efficaces produisent une lumière bleue froide.
La vision humaine (de jour)
L’œil humain en bonne santé possède des photorécepteurs pour les différentes couleurs de la lumière (rouge, vert, bleu). Les daltoniens ne possèdent pas tous les récepteurs, c’est pourquoi ils perçoivent le monde avec moins de nuances et distinguent plus difficilement certaines couleurs.
Mais un œil en bonne santé aussi ne perçoit pas toutes les couleurs d’un arc-en-ciel de façon égale.
Le récepteur de vert est plus sensible que ceux du rouge et du bleu. La nature qui nous entoure et qui nous est vitale est essentiellement composée de couleur verte. Cela nous a peut-être aidé à découvrir plus facilement des terres fertiles et des fourrages verts.
Les appareils de mesure de la lumière utilisés dans les techniques d’éclairage et leur conception sont en règles générales calibrés par rapport à cette sensibilité particulière de l’œil humain à la lumière du jour.
D’autres capteurs, par exemple les puces d’appareils photos, détectent souvent plus la zone du spectre correspondant aux grandes longueurs d’ondes, donc le rayonnement infrarouge (comme les dispositifs de vision nocturne).
Il faut donc toujours veiller à ce que les données de mesure soient correctement enregistrées, filtrées et comparées.
Quand la lumière dérange-t-elle?
En premier lieu si elle éblouit directement (éblouissement).
Ensuite si elle éblouit indirectement (éblouissement par réflexion).
Éblouissement
La vision est ressentie comme inconfortable (éblouissement d’inconfort ou psychologique) ou la visibilité est irrémédiablement réduite (éblouissement invalidant ou physiologique). Les causes sont une répartition défavorable de la luminance ou un contraste trop élevé.
Éblouissement invalidant
L’éblouissement invalidant diminue la vision sans que cela soit associé avec une sensation désagréable. Il s’agit par exemple de cas extrêmes de dommages oculaires causés lorsque l’on regarde directement le Soleil ou un faisceau laser, ce qui endommage de façon irréparable la rétine et a pour conséquence une perte mesurable de la vision.
Éblouissement d’inconfort
L’éblouissement d’inconfort provoque une sensation désagréable, sans que cela s’accompagne d’une différence mesurable de capacité visuelle. Toutefois, le problème fondamental est la différence élevée de luminance des sources de lumières, qui entraîne une trop grande stimulation des récepteurs de la rétine et génère des images rémanentes. Tout le monde a fait l’expérience d’avoir regardé par erreur le Soleil directement et de constater en fermant les paupières qu’une image rémanente du Soleil apparaît de toutes les couleurs, jusqu’à ce que le phénomène finisse par s’estomper.
Réflexion
Des surfaces réfléchissantes occasionnent parfois des éblouissements indésirables, de telle sorte que l’objet réfléchissant n’est presque plus correctement reconnaissable.
L’éblouissement est aussi un gros problème dans le cas de véhicules circulant en sens inverse. En gênant la vision, cela met en danger la sécurité routière.
La lumière perturbe l’endormissement et le sommeil, car nous avons besoin d’une obscurité profonde autour de nous pour bien dormir. La majorité des plaintes envoyées à Dark-Sky le sont quand la chambre à coucher est touchée. On parle ici de santé et cela concerne tout le monde.
Tant en ce qui concerne l’éblouissement (réflexe pupillaire) que le sommeil (horloge interne), les hommes comme les mammifères sont sensibles à la lumière bleue.
Les animaux nocturnes s’orientent surtout par rapport à la lumière bleue, car c’est celle que l’on rencontre dans l’obscurité naturelle (ciel, lune, étoiles).
La lumière bleue se diffuse également plus fortement dans l’atmosphère (de jour, le ciel apparaît bleu).
Dans bien des aspects, la lumière bleue est plus perturbante que la lumière rouge.
Il se peut cependant que d’autres organismes, utilisant d’autres types de vision, soient sensibles à d’autres types de lumière. Par exemple, les verts luisants femelles brillent en jaune-vert. Par conséquent les mâles sont le plus souvent attirés par la lumière verte de plus faible intensité, mais ils évitent totalement la lumière vive où ils ne perçoivent plus les femelles (voir Ineichen, Lusti 2016).
Dark-Sky Switzerland: C’est pourquoi l’extinction de la lumière, c’est à dire aucune lumière au mauvais endroit au mauvais moment, est la solution la plus simple et la plus efficace au problème environnemental de la pollution lumineuse.
Nous remercions notre membre de comité Roland Bodenmann du Réseau lumière (Netzwerk Licht) pour les graphiques et sa participation à cette page.