Pourquoi les molécules d'eau absorbent-elles le rouge?

[Gawel]

Bonjour,

A partir d'une question bête, à savoir "pourquoi la mer est bleue?",
que nous avons posé à nos nouveaux élèves-ingénieurs lors d'un test de culture scientifique,
je me suis retrouvé face à une question un peu plus précise.

La réponse évidente à cette question est que l'eau absorbe le jaune, puis le rouge, puis le vert, et ne rejète en bonne qualité, que le bleu.
Ma question est : pourquoi?
Qu'est-ce qui, dans une molécule d'eau, fait que le rouge et le jaune sont absorbés?

Je ne sais pas trop si je suis dans un cas de physique optique, d'ondes lumineuses, ou de chimie et de structure moléculaire (surement les deux).

Merci d'avance pour vos réponses avisées
Gaël
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[Gawel]

Après quelques recherches, un peu d'eau à mon moulin :
H. RUBENS, E. LADENBURG [1909 ()]. Les propriétés optiques de l’eau dans le spectre infra-rouge. Radium (Paris) 6, 2 (1909) 33-39.

Je continue l'étude. Si des spécialistes d'optique ou de propriétés des molécules d'eau, peuvent donner un avis, ça m'aiderait je pense

[gatsu]

Salut,

Déjà il semblerait que ce soit une propriété de l'eau liquide non ? Dans le cas contraire la vapeur d'eau saturée à 99% par exemple serait bleuâtre non ?
Dans ce cas les propriétés optiques de l'eau liquide ne serait pas réductible à la molécule d'eau (contrairement à la réponse à "pourquoi le ciel est bleu ?" par exemple).
En fait, l'eau liquide absorbe toutes les longueurs d'onde mais sur des distances caractéristiques differentes (distance qui doit être proportionnelle à la fréquence de la couleur en première approximation). Cela implique que la distance typique sur la quelle le rouge s'éteint est plus petite que celle du bleu etc...
C'est la raison pour laquelle l'eau d'un verre d'eau n'est pas bleue mais transparente car la taille typique d'un verre d'eau est apparemment beaucoup plus petite que la longueur caractéristique sur laquelle s'éteint le rouge.

En terme d'interprétation cela peut être relié aux propriétés de conduction électrique de l'eau liquide : à basse fréquence l'eau sera apparemment plus conductrice qu'à haute fréquence (et laissera donc mieux passer la lumière de haute fréquence que de basse fréquence) mais comme l'eau est tout de même un bon isolant, elle apparait comme parfaitement isolante pour les rayons optiques devant traverser un verre d'eau par exemple.

Pour compliquer le problème, il doit y avoir des caractéristiques d'absorption chimique se retrouvant comme des pics dans la fonction diélectrique en fonction de la fréquence mais je ne suis pas certain que ces pics aient quoique ce soit à voir avec la raison de "pourquoi l'eau apparait comme étant bleue ?"...un de ces pics étant notamment celui du domaine micro-onde nous permettant de faire chauffer les aliments.

[LPFR]

Bonjour.
En réalité, la mer est bleue que si le ciel est bleu et que vous regardez la réflexion du ciel dans l'eau en incidence inclinée.. Par temps gris, la mer n'est pas bleue. La mer elle-même est noire. Le coefficient de réflexion de l'eau est de 2% en incidence normale. Elle réfléchit plus en incidence inclinée ou rasante, mais la lumière que vous voyez, et sa couleur est celle du ciel pas celle de l'eau.
Parfois la couleur n'est pas noire si le reflet du fond, ou de particules en suspension est important.
Dans des eaux pauvres en particules en suspension comme le lac Baïkal ou les eaux au large de Hawaï, l'eau est très transparente (on installe des capteurs de rayons cosmiques).
Et évidemment, la mer agitée peut être carrément blanche (d'écume).
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gawel]

D'accord, donc en gros, on aurait 2 phénomènes distincts :
- l'absorption des composantes des rayons lumineux solaires dans l'eau
Ce qui explique que lorsqu'on plonge en profondeur, le rouge, puis le jaune, puis le vert ne deviennent perceptibles, selon la distance à la surface.
Ce qui pourrait expliquer que l'on distingue plusieurs couleurs en fonction de la profondeur du sol, ainsi que des éléments présents dans l'eau.
Ça explique aussi comme vous le soulignez, que dans le cas d'un récipient au volume réduit, l'eau parait transparente.

- la réflexion du bleu du ciel à la surface
Ce qui pourrait expliquer que quelque soit la profondeur, lorsqu'on est placé en point de vue rasant, on perçoit la mer bleue.
Mais du coup, lorsque le ciel est fortement couvert, la couleur perçue est encore bleu non? même si ce bleu est bien plus sombre que par beau temps...

Pour le premier, phénomène, d'après les quelques premières informations que j'ai pu collecter, on aurait un affaiblissement de l'énergie des photons dans l'eau (liquide, donc).
Les infra-rouges sont particulièrement sensibles et sont filtrées dès les premiers mètres d'immersion, alors que d'autres éléments du spectre lumineux parviennent à passer les 100m de profondeur (ces distances dépendent de la composition de l'eau de mer)

La figure présentée ci-dessous me parait particulièrement intéressante (ref1) :


On y voit qu'à 1m de profondeur, on filtre tous les éléments lumineux dont les longueurs d'onde sont supérieurs à 0,8µm
à 10m, on filtre à 0,6µm
à 100m, on a une fenêtre réduite à environ [0,35µm ; 0,5µm]

Sachant que les longueurs d'onde étant (ref2) :
0,4µm violet
0,47µm bleu
0,53µm vert
0,58µm jaune
0,6µm orange
0,65µm rouge

On explique cette absorption.
Reste que je n'arrive pas à cerner le pourquoi, ces longueurs d'onde sont éliminées. Est-ce lié à la densité de l'eau?


Quoi qu'il en soit, j'arrive à la conclusion (et j'ai besoin de confirmation savoir si ça semble cohérent) que :
on semble expliquer que la lumière visible dans l'eau est rapidement (au delà de 10m) le bleu, mais ça n'est pas la raison pour laquelle, à la surface, on voit la mer bleue.



Sources
(ref1) : http://lecalve.univ-tln.fr/oceano/fiches/fiche3E.htm
(ref2) : http://semsci.u-strasbg.fr/rouedes.htm

[LPFR]

Re.
Vous trouverez les spectres d'absorption et les raisons de cette absorption dans ce site:
http://www.btinternet.com/~martin.ch...vibrat.html#uv
qui me parait bien documenté.

La lumière réfléchie par des diélectriques transparents, ne dépend que de l'indice de réfraction du diélectrique pour la longueur d'onde considérée. Donc, pour l'eau, où l'indice de réfraction varie peu dans tout le visible, la lumière réfléchie ne change pas de teinte.

Et si nous voyons la mer bleue même quand le ciel est gris, c'est parce qu'on nous a appris cela depuis notre enfance. Maintenant que vous savez que c'est faux, vous la verrez d'une autre couleur (gris-bleue probablement, car les atavismes sont difficiles à éradiquer).

Maintenant que la courbe est visible, il faut savoir l'interpréter. La couleur que l'on voit dépend de la réponse spectrale de l'œil. Par exemple, la courbe à la surface correspond au blanc et même si les autres courbes ont aussi leur maximum pour 400 nm, cela ne veux pas dire que l'on voit ça bleu-violet, car à 400 nm, la sensibilité de l'œil est presque nulle et on voit mieux la parte verte même s'il y en a moins.
A+

[gatsu]

D'accord, donc en gros, on aurait 2 phénomènes distincts :
- l'absorption des composantes des rayons lumineux solaires dans l'eau
Ce qui explique que lorsqu'on plonge en profondeur, le rouge, puis le jaune, puis le vert ne deviennent perceptibles, selon la distance à la surface.
Ce qui pourrait expliquer que l'on distingue plusieurs couleurs en fonction de la profondeur du sol, ainsi que des éléments présents dans l'eau.
Ça explique aussi comme vous le soulignez, que dans le cas d'un récipient au volume réduit, l'eau parait transparente.

- la réflexion du bleu du ciel à la surface
Ce qui pourrait expliquer que quelque soit la profondeur, lorsqu'on est placé en point de vue rasant, on perçoit la mer bleue.
Mais du coup, lorsque le ciel est fortement couvert, la couleur perçue est encore bleu non? même si ce bleu est bien plus sombre que par beau temps...

Pour le premier, phénomène, d'après les quelques premières informations que j'ai pu collecter, on aurait un affaiblissement de l'énergie des photons dans l'eau (liquide, donc).
Les infra-rouges sont particulièrement sensibles et sont filtrées dès les premiers mètres d'immersion, alors que d'autres éléments du spectre lumineux parviennent à passer les 100m de profondeur (ces distances dépendent de la composition de l'eau de mer)

La figure présentée ci-dessous me parait particulièrement intéressante (ref1) :
Pièce jointe 157827

On y voit qu'à 1m de profondeur, on filtre tous les éléments lumineux dont les longueurs d'onde sont supérieurs à 0,8µm
à 10m, on filtre à 0,6µm
à 100m, on a une fenêtre réduite à environ [0,35µm ; 0,5µm]

Sachant que les longueurs d'onde étant (ref2) :
0,4µm violet
0,47µm bleu
0,53µm vert
0,58µm jaune
0,6µm orange
0,65µm rouge

On explique cette absorption.
Reste que je n'arrive pas à cerner le pourquoi, ces longueurs d'onde sont éliminées. Est-ce lié à la densité de l'eau?


Quoi qu'il en soit, j'arrive à la conclusion (et j'ai besoin de confirmation savoir si ça semble cohérent) que :
on semble expliquer que la lumière visible dans l'eau est rapidement (au delà de 10m) le bleu, mais ça n'est pas la raison pour laquelle, à la surface, on voit la mer bleue.



Sources
(ref1) : http://lecalve.univ-tln.fr/oceano/fiches/fiche3E.htm
(ref2) : http://semsci.u-strasbg.fr/rouedes.htm

Oui si je résume ton idée, mon commentaire et celui de LPFR, il y a la couleur en réflexion et la couleur en transmission qui n'ont pas de raison évidente d'être les mêmes.
Je pense effectivement que la couleur de la mer est due au reflet du ciel bleu à sa surface mais que la couleur bleu de l'eau d'une piscine d'intérieur (si elle n'est pas due aux éléments chimiques qu'elle contient) est due à l'absorption progressive des basses fréquences optiques dans le tajet "aller" de l'exterieur vers le fond de la piscine suivie d'une réfléxion quasi-parfaite sur un fond habituellement blanc et une re-perte des basses fréquences sur le trajet retour du fond de la piscine à notre oeil.
Je ne sais pas si c'est lié mais les "grands bains" (profondeur supérieure à 1m 80) dans les piscines municipales que j'ai cotoyées étaient de couleur bleu alors que les "petits bains" (profondeur inférieure à 1m 20) étaient de couleur vert/bleu.

[invite2313209787891133]

Bonjour

L'absorption de ces longueurs d'onde spécifique est simplement due aux harmoniques des bandes d'absorption des élongations et vibrations des liaisons de la molécule : On retrouve ces harmoniques dans le proche IR, à une échelle beaucoup plus faible que dans l'IR moyen (ou on a les fréquences fondamentales), puis dans le visible à une échelle encore plus faible que dans le PIR.