Lexique des termes marins

OPTIQUE SOUS-MARINE

Le rayonnement solaire apporte aux confins de l'atmosphère un flux thermique de 140 mW/cm² sur un spectre de longueurs d'onde allant de 0,2 à 3µ (voir schéma 1). Une partie de ce rayonnement est absorbée par les couches de l'atmosphère, une autre est réfléchie sur l'atmosphère, les nuages ou sur la surface de la Terre, et il ne pénètre finalement dans la mer qu'une énergie moyenne d'environ 16 mW/cm², soit un peu plus que le dixième du rayonnement initial.

Ce rayonnement, qui atteint la surface de la mer, est composé du rayonnement solaire direct et du rayonnement de la voûte céleste. Le rapport entre ces deux composantes varie beaucoup avec la nébulosité et la hauteur du Soleil : par temps clair, la proportion du rayonnement diffus est, à midi, de 15 % ; elle augmente lorsque la hauteur du Soleil diminue (40 % pour une hauteur de 10°).

• Pénétration de la lumière dans la mer.
• Visibilité sous-marine.
• La lumière et la vie sous-marine.

Pénétration de la lumière dans la mer

Dans le milieu marin, la lumière subit d'importantes modifications dues à deux phénomènes de nature distincte :

• L'absorption par l'eau et par les substances dissoutes ou en suspension, qui transforme la lumière en chaleur.
• La diffusion, diffusion moléculaire et surtout diffusion par les particules en suspension, qui disperse le rayonnement dans toutes les directions.

La répartition spatiale de la lumière s'en trouve modifiée (voir schéma 2). On constate qu'aux faibles profondeurs la répartition des luminances est concentrée autour de la direction de l'image du Soleil, ce qui est dû à la forte diffusion vers l'avant ; ensuite, lorsque la profondeur augmente, la direction du maximum se rapproche de la verticale, qui correspond au plus court chemin optique, c'est-à-dire à l'atténuation la plus faible ; en même temps, le maximum s'estompe, par suite des diffusions multiples dans la mer.

Ainsi, la répartition des luminances tend vers une distribution limite qui sera atteinte d'autant plus rapidement que les eaux seront plus turbides.

La distribution spectrale du rayonnement qui pénètre dans la mer est modifiée, elle aussi, par l'absorption et la diffusion. Il suffit de pratiquer la plongée à faible profondeur pour constater que le monde sous-marin apparaît en une symphonie fondue de bleu-vert sous la lumière tamisée du jour.

En enregistrant, à différentes profondeurs, les variations de la densité spectrale de l'éclairement avec la longueur d'onde, on constate que toute la partie infrarouge du spectre est absorbée au voisinage de la surface et que, lorsque la profondeur augmente, le maximum de transmission se déplace vers les courtes longueurs d'onde.

L'importance de l'absorption et celle de la diffusion varient géographiquement ; ainsi, les eaux côtières sont généralement plus turbides que les eaux du large, car elles sont plus chargées en particules terrigènes. Il en résulte une première application des mesures de photométrie dans la détermination des matières dissoutes ou en suspension dans l'eau de mer.

• • Qualitativement, la diffusion sélective permet d'identifier les particules de petite taille, alors que la diffusion par les grosses particules est indépendante de la longueur d'onde.
• • Quantitativement, le coefficient d'extinction d'une grandeur photométrique est proportionnel à la quantité de matières en suspension.

De là, en généralisant, il serait tentant d'utiliser des paramètres optiques pour caractériser l'eau de mer, retrouver son origine et tracer son histoire physique, de la même façon qu'on utilise déjà la température et la salinité, facilement mesurables avec une précision suffisante. Mais les caractéristiques optiques ne peuvent servir à identifier une eau du point de vue physique, car elles sont liées à la présence de matières organiques sous forme dissoute ou particulaire, c'est-à-dire à des caractères qui peuvent évoluer rapidement avec le temps.

En revanche, les paramètres optiques étant liés à la présence de matière organique, leurs variations peuvent être considérées, très utilement, dans l'étude de certains phénomènes biologiques, comme la production primaire.

Dans les zones où des remontées d'eaux profondes peuvent se produire (le long de certaines côtes ou au contact de deux masses d'eau), le mouvement vertical des eaux entraîne une remontée de sels nutritifs des couches profondes vers la surface et une augmentation du développement planctonique ; ces régions sont caractérisées par une production élevée en matière organique.

Enfin, les propriétés optiques de l'eau sont responsables de la couleur de la mer. Pour l'observateur qui ne tient pas compte de la réflexion du ciel et des nuages, elle est déterminée par la répartition spectrale de la lumière du jour, qui, après avoir subi le phénomène de diffusion sélective par les particules en suspension, atteint à nouveau la surface (voir couleur de la mer).

Visibilité sous-marine

La vision sous-marine, rendue possible par la pénétration de la lumière du jour dans la mer, reste l'un des principaux modes de connaissance pour l'explorateur sous-marin.

Dès l'Antiquité, la cloche à plongeur a facilité l'exploration et le travail de l'homme sous plusieurs coudées d'eau ; on dit qu'Alexandre le Grand, plus de 300 ans avant notre ère, passa cent jours au fond de la mer, dans une caisse de bois et de verre imperméabilisée par de la résine et de la poix.

Les premières observations sur l'intensité de la lumière qui pénètre dans l'océan remontent à 1817, avec les expériences du professeur Kotzebue.
Plus tard, en 1865, à bord d'un navire de la Marine pontificale, le père jésuite Secchi effectua des recherches systématiques sur la transparence des eaux méditerranéennes, en se servant d'un disque métallique qui avait été peint en blanc.

Différents facteurs viennent modifier la vision lorsqu'on passe de l'atmosphère au milieu marin. Un plongeur dont les yeux sont directement baignés par l'eau voit flou : en effet, l'indice de réfraction de l'eau et celui de la cornée étant voisins, celle-ci perd son rôle réfractant et l' œil devient très fortement hypermétrope. On remédie à cet inconvénient en interposant une couche d'air entre l'œil et l'eau ; le masque de plongée, en mettant les yeux à l'abri de l'eau, leur rend leur convergence normale. Mais la différence d'indice de réfraction entre l'air et l'eau fait paraître les objets plus grands qu'ils ne sont en réalité, ce qui explique peut-être l'exagération de certains récits de chasse sous-marine.

Pour l'observateur sous-marin, la réfraction des rayons lumineux rapproche la direction du Soleil de la verticale et, par suite, la voûte céleste est vue dans un cône de demi-angle au sommet de 48,5° (voir schéma 3). La réfraction ne suit rigoureusement les lois de Descartes que dans le cas d'une surface d'eau tranquille ; dans la pratique, les vagues modifient la direction des rayons réfractés, jusqu'à ± 15 %. L'effet de lentille des vagues peut d'ailleurs donner à l'image scintillante du Soleil une intensité dangereuse pour l'œil d'un observateur placé en immersion.

L'absorption de la lumière est le principal facteur limitant la visibilité sous-marine, alors que dans l'atmosphère elle est en général négligeable.
Dans tous les cas, la qualité de l'image dépend du contraste entre l'objet et la pleine eau. Dans l'eau de mer, le contraste varie avec la distance en suivant une loi exponentielle. Il existe un seuil de contraste au-dessous duquel les objets ne peuvent plus être distingués par un œil normal. Le seuil est fonction de la luminance de la pleine eau et de la dimension angulaire de l'objet observé, le contraste devant être d'autant plus grand que l'objet est plus petit; il varie également avec la durée de l'observation ; ainsi, une source lumineuse devra être plus intense, pour être perçue, si la lumière est émise sous forme d'éclairs de moins de 0,5 s que lorsqu'elle est émise de manière continue.

Au voisinage de la surface, la lumière naturelle est, dans la journée, suffisante pour les observations visuelles, mais la couleur des objets est altérée. A une certaine profondeur, environ 30 m en Méditerranée, la lumière est assez faible pour que l'œil humain se trouve en vision crépusculaire et ne reconnaisse plus les couleurs.

Bien entendu, les sources artificielles permettent d'étendre au-delà de la couche euphotique la détection, l'identification et la photographie des objets.
L'éclairage artificiel en lumière blanche est la seule façon de restituer aux paysages sous-marins leurs vraies couleurs, c'est-à-dire celles qu'ils présenteraient à la lumière du jour. Mais cet éclairage ne peut se faire sans quelques précautions imposées par les propriétés optiques des eaux de mer : la source doit être à faible distance de l'objet, de sorte que la lumière ne soit pas colorée par l'épaisseur d'eau traversée et que celle-ci ne diffuse que le minimum de lumière parasite ; la puissance nécessaire augmente d'ailleurs très rapidement avec la portée que l'on désire atteindre.

La forte absorption de la lumière par l'eau conduit le photographe sous-marin à utiliser de grandes ouvertures et entraîne par conséquent une diminution du champ en profondeur.

La lumière et la vie sous-marine

Le rayonnement solaire, en pénétrant dans les océans, y permet le développement de la photosynthèse : sous l'influence de la lumière, les organismes végétaux utilisent l'eau et le gaz carbonique pour fabriquer de la matière organique et libérer de l'oxygène. Il est remarquable que les pigments responsables de la photosynthèse soient adaptés pour absorber plus efficacement l'énergie lumineuse dans les longueurs d'onde les mieux transmises par l'eau (voir schéma 4).

Le phytoplancton ainsi élaboré est consommé par le zooplancton ou par d'autres animaux qui, à leur tour, sont dévorés par des animaux plus gros. On a pu estimer le rendement avec lequel une quantité de matière organique prise à un niveau donné est utilisée au niveau supérieur (cette estimation concerne la synthèse d'une quantité de matière équivalente au point de vue énergétique mais non chimique).
Le rendement trouvé est de l'ordre de 10% dans les meilleurs cas. Donc, à chaque niveau de la pyramide alimentaire, entre la production primaire et le haut de la chaîne alimentaire, il n'y a que 10 % de l'énergie produite qui sont transférés au niveau supérieur, le reste étant consommé par les organismes pour le maintien de leur activité métabolique.

Dans les océans, une intensité lumineuse minimale d'environ 1 % du maximum en surface est nécessaire au développement de la photosynthèse.
Par ailleurs, les radiations ultraviolette et infrarouge réduisent la production au voisinage de la surface, l'intensité optimale de rayonnement se situant à une profondeur comprise entre 1 et 15 mètres.

Le plein soleil qui se fait sentir dans la zone intertidale est en général trop violent pour les plantes marines ; il peut même avoir un effet létal. Il est d'ailleurs difficile de dire si le danger tient à l'élévation de température ou à la dessiccation qui en résulte.
La chaleur latente d'évaporation intervient, en revanche, pour rafraîchir un peu les organismes concernés, mais l'évaporation entraîne aussi une concentration de sels dans les tissus, avec un danger possible d'hypertonie.
De nombreux animaux se protègent contre l'échauffement, tout en retardant l'évaporation, par des mécanismes particuliers, telles les coquilles épaisses ou les couvertures de mucus. En pleine eau, certaines espèces se protègent d'un rayonnement trop fort en plongeant à une profondeur suffisante, comme le zooplancton dans sa migration diurne, qui lui permet aussi d'éviter les prédateurs chassant à vue.

La photosynthèse limite la présence de la flore aux couches superficielles, mais elle n'exclut pas la présence d'animaux aux plus grandes profondeurs ; en effet, de nombreux animaux peuvent utiliser leurs capacités de vision à des intensités aussi faibles que 10^-10 fois la lumière du jour ou même moins, et des processus tels que le phototropisme ou le photopériodisme sont provoqués par des énergies très inférieures à celles qui sont nécessaires à la photosynthèse.

Dans des eaux limpides, le résidu de lumière du jour a pu être enregistré jusqu'à 950 m (mer des Caraïbes). Au-delà de cette profondeur, la luminescence des organismes marins n'est plus négligeable.

Les mesures profondes ont montré en effet que, lorsque l'éclairement reçu de la surface est très faible (c'est-à-dire soit la nuit, soit dans la journée, au-delà de 400 m de profondeur), la bioluminescence intervient pour une part importante dans la lumière présente (voir schéma 5).
Cette faculté qu'ont certains êtres vivants d'émettre de la lumière vient de réactions où l'énergie dégagée excite d'une manière spécifique une molécule, laquelle restitue ensuite cette énergie sous forme de photons ; dans une réaction biolumineuse, les produits nécessaires à la réaction chimique sont synthétisés par des cellules vivantes et la réaction est catalysée par une enzyme, catalyseur biologique.

La bioluminescence peut être observée facilement de nuit à la surface des océans, lorsque l'eau est agitée : elle se manifeste par de multiples éclairs.

Les systèmes lumineux des animaux marins ont plusieurs fonctions biologiques. Chez différentes espèces, les parades nuptiales et la ponte s'accompagnent d'intenses manifestations lumineuses. La reconnaissance intraspécifique et la cohérence d'un groupe est une fonction qui a également été envisagée.

L'un des rôles les plus convaincants de la bioluminescence est son utilisation soit pour attirer les proies, soit pour repousser d'éventuels prédateurs.

En ce qui concerne la vision des animaux marins, il s'agit de détecter la lumière du jour et la luminescence des autres organismes et de les utiliser pour voir les objets environnants.
Les yeux des poissons et des céphalopodes diffèrent de ceux des vertébrés terrestres par le fait que la cornée ne joue pratiquement aucun rôle dans la formation de l'image. En revanche, le cristallin sphérique, très convergent, donne une image rétinienne presque dépourvue d'aberration sphérique ou chromatique ; ce résultat semble être acquis par une variation continue de l'indice de réfraction du cristallin entre 1,53 au centre et un indice égal à celui de l'eau de mer à sa périphérie.

L' œil de poisson est en général dépourvu de diaphragme tel que l'iris ; il est donc très ouvert et, comme le cristallin, peut former de très bonnes images rétiniennes. Il est bien adapté pour détecter de petites sources lumineuses peu intenses. On pense que les poissons peuvent percevoir la lumière du jour jusqu'à des profondeurs voisines de 1 000 m ou détecter des éclairs de luminescence à plus de 40 m de distance. La vision des poissons aurait donc une sensibilité de dix à cent fois plus grande que celle de l'homme.

Les yeux des animaux vivant à grande profondeur, en particulier dans la « zone crépusculaire », sont en général très grands par rapport à la taille de l'animal : un diamètre de 37 cm a été mesuré pour l'œil d'un calmar géant. Des flux très faibles peuvent ainsi être détectés, de la même façon qu'un grand télescope permet de détecter les étoiles très lointaines.

L'énergie solaire, dans ses transformations à l'intérieur de l'océan, fait apparaître plusieurs caractères d'harmonie de la nature : inépuisable moteur des échanges océan-atmosphère, elle assure à l'homme les conditions climatiques favorables à son existence : sans le cycle de l'eau à la surface du globe, les différences de température entre le jour et la nuit, entre l'été et l'hiver seraient beaucoup plus marquées.
A une autre échelle, l'adaptation de la vie sous-marine aux radiations transmises par l'eau de mer est assez remarquable, qu'il s'agisse de la photosynthèse, de la vision des poissons ou du maximum d'émission des organismes bioluminescents ; cette adaptation n'est d'ailleurs pas distincte du problème de l'existence des organismes.

Etonnante est, enfin, la concordance entre le maximum de sensibilité de l'œil humain en vision nocturne et les longueurs d'onde transmises par l'eau de mer, coïncidence qui semble devoir confirmer l'origine marine des êtres terrestres.