Vous êtes-vous déjà assis au fond d’une piscine et avez-vous réfléchi à votre plafond d’eau ? La majeure partie de la surface est constituée d’une nappe bleu clair, et vous ne pouvez pas voir à travers, même si l’eau est claire. Mais juste au-dessus de vous, il y a une fenêtre ronde de transparence.
Et voilà ce qui est génial : grâce à cet anneau, vous obtenez une vue en plongée qui vous montre non seulement le ciel, mais aussi les éléments qui entourent la piscine, comme les arbres ou les gens qui sirotent du Mai Tai sur la terrasse de la piscine. Cet effet génial est dû aux propriétés optiques de l’eau, et il porte un nom : la fenêtre de Snell.
Vous pouvez le constater même si vous ne passez pas beaucoup de temps sous l’eau. Peut-être que, comme moi, vous préférez regarder des vidéos de chasse sous-marine sur YouTube. En voici une bel exemple de la fenêtre de Snell de la chaîne YBS Youngbloods (le lien vous amène directement au segment de 15 secondes qui vous intéresse).
Une chose curieuse à noter ici : alors que le plongeur (Brodie) et le caméraman descendent, la fenêtre semble rester de la même taille. Et alors, demandez-vous ? Eh bien, réfléchissez-y : si vous filmiez une fenêtre de votre maison alors que vous vous en éloignez, elle semblerait devenir plus petite.
En fait, la fenêtre de Snell devient plus gros— voyez-vous comment le plongeur à la surface en remplit de moins en moins ? Mais contrairement à une fenêtre ou à toute autre chose sur la terre ferme, son angulaire la taille, telle que perçue par votre œil, reste la même lorsque la distance augmente.
Les mystères des profondeurs ! Il y a une physique magnifique derrière tout cela, alors enquêtons, d’accord ?
Réfraction et loi de Snell
La lumière étant une onde électromagnétique, elle n’a pas besoin d’un milieu pour « onduler » (contrairement au son). Cela signifie qu’elle peut voyager dans l’espace vide, comme le fait la lumière du soleil, heureusement pour nous. La lumière se déplace à une vitesse de 3 x 108 mètres par seconde, ce voyage du Soleil à la Terre prend environ huit minutes.
Mais quelque chose se produit lorsque la lumière pénètre dans un milieu transparent comme notre atmosphère : elle ralentit. L’air ne la ralentit que de 0,029 %, mais lorsque la lumière pénètre dans l’eau, elle perd environ 25 % de sa vitesse. C’est comme lorsque vous ralentissez lorsque vous courez de la plage vers l’océan, car l’eau est plus dense que l’air.
Ce différentiel de vitesse varie selon les supports et est décrit par son indice de réfraction (n), qui est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse dans un matériau particulier. Plus l’indice de réfraction est élevé, plus la lumière se déplace lentement dans ce milieu. Dans l’air, n = 1,00027. Dans l’eau, n = 1,333. Dans le verre, n = 1,5
Mais voici le problème : le changement de vitesse provoque également la direction de la lumière à changer. C’est en fait ce que nous entendons par « réfraction ». Vous le voyez lorsque vous regardez une paille dans un verre d’eau : la partie de la paille sous l’eau ne correspond pas à la partie au-dessus. Pourquoi ? La courbure de la lumière sur la partie sous l’eau vous fait la voir à un endroit où elle n’est pas.
