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Lumière naturelle

Lumière naturelle : les grandeurs physiques (partie 1)

 

Spectre électromagnétique et température de couleur

 

Comment y voir clair dans les expressions souvent associées à la lumière et comprendre ce qui se cache (ou devrait se cacher) derrière les mots employés ?

 

Pour décrire des sensations liées à la lumière, on utilise le plus souvent un vocabulaire qui nous semble assez expressif. Même si les mots employés sont parlants au quotidien, lorsque l'on s’intéresse plus en détails à la lumière, notamment pour en comprendre les applications sur le bâtiment (durable), qualifier une pièce de « lumineuse, « ensoleillée », ou encore indiquer que l’éclairage est « bon » ne sera pas suffisamment juste.

En effet, la lumière et ses effets se caractérisent par des grandeurs physiques au sens bien précis et, qui sans être physicien, doivent être comprises si on souhaite aller au-delà de la simple description d’un ressenti.

 

Le spectre électromagnétique

C’est le classement des rayonnements électromagnétiques par fréquence et longueur d'onde dans le vide. Il s’étend de zéro à l'infini et est divisé en plusieurs grandes classes. Le rayonnement électromagnétique visible représente une très étroite portion du spectre électromagnétique accessible à la perception humaine visuelle. L’œil humain ne peut en effet détecter les longueurs d’ondes des rayonnements électromagnétiques que dans une plage limitée, avec un maximum pour les longueurs d’ondes à 550 nm, et avec une sensibilité qui diminue progressivement au fur et à mesure que l’on s’éloigne de cette longueur d’onde. Elle est de moins de 1 % du maximum à 410 nm et à 690 nm.

 

Les couleurs

La lumière visible est une palette de rayons (de longueurs d’onde différentes) dans le spectre de la lumière visible qui est détaillé en couleur, selon que l'œil humain les distingue les uns des autres.

Couleurs

Longueur d’onde en nm

Violet

400 à 430

Bleu

430 à 480

Vert

480 à 560

Jaune

560 à 580

Orange

580 à 620

Rouge

620 à 800

 

 

La perception de la lumière visible est un mélange de rayonnements de longueur d’ondes différents. Les couleurs sont perçues par les cellules rétiniennes appelées « cônes », situés dans le centre de la rétine. Elles captent les informations grâce à leurs pigments. La description d'une couleur par les humains n'est perçue qu’en vision diurne et de nombreux mélanges de radiations de longueurs d'onde différentes se perçoivent identiquement.

Lorsqu’un arc en ciel décompose la lumière du soleil, on peut voir qu’elle est constituée de rayonnements de différentes longueurs d’onde que nous percevons comme une palette de couleur. Mais c’est la position du soleil dans le ciel ainsi que la quantité de vapeur d’eau et de poussières dans l’air qui composeront une couleur dominante que percevront nos yeux.

  • Lorsque le soleil est à son zénith (midi solaire), ses rayons lumineux traversent l’atmosphère à angle droit, donnant ainsi une lumière plus intense et plutôt blanche ;
  • A l’inverse, au lever du soleil ou au coucher, lorsque la lumière traverse l’atmosphère selon des angles faibles par rapport à l’horizontale (relatif à notre position), l’épaisseur de l’atmosphère est traversée de biais, la composante bleue est dispersée et la teinte générale tire sur le rouge.

Ce que nous voyons comme couleur sont des ondes lumineuses de longueurs différentes qui pénètrent dans l’œil déclenchant un stimulus dans les photorécepteurs de la rétine.

Ces photorécepteurs contiennent des cônes et des bâtonnets. Les bâtonnets sont sensibles uniquement à la lumière et l’obscurité et nous permettent de distinguer les nuances de gris sous un éclairage faible. A la lumière du jour normale, nous voyons uniquement à l’aide des cônes, et ce sont précisément eux qui nous permettent de distinguer les couleurs. La rétine contient environ 7 millions de cônes répartis en 3 catégories de récepteurs de couleur (bleu, rouge et vert).

Enfin, il convient de préciser que la différenciation des nuances de couleur par l’œil humain dépend également de l’intensité lumineuse.

Source : Datacolor

 

Température de couleur

Nous avons tous déjà constaté que, lorsque la température d’un solide s’élève, celui-ci change de couleur par rapport à sa couleur d’origine en émettant des rayonnements d’une couleur de plus en plus intense.

 

Ainsi, en chauffant progressivement, une pièce de métal passe d’abord par le rouge, puis devient jaune, puis blanche, voir même bleutée lorsque la température est au maximum. En analysant ce phénomène, nous constatons que tout corps dont la température absolue n'est pas nulle, émet un rayonnement électromagnétique. Pour les températures les plus basses, cette émission est dans le domaine des ondes radioélectriques puis, en montant l'échelle des températures, le maximum de ce rayonnement passe dans l'infrarouge, puis dans le visible et enfin l'ultraviolet.

Ainsi plus la température est élevée et plus le rayonnement émis (et visible à l’œil humain) tend vers le bleu. Mais attention il s’agit pourtant d’une couleur froide !

 

Cela signifie que, la lumière émise par le soleil et perçue par nos yeux lorsqu’il est à son zénith (midi solaire) est la plus intense et la plus énergétique. Paradoxalement, le lien entre couleur et température peut surprendre puisque à ce moment de la journée, la couleur de la lumière sera la plus froide tout en ayant une température élevée.

 

Que signifie donc la « température de couleur » ?

Par définition, la température de couleur d’un corps émetteur de lumière est la température qu’aurait un corps noir pour émettre un spectre similaire, ou au moins la même couleur. Un corps noir est un objet théorique, qui est décrit comme ayant la capacité d’absorber toutes les radiations lumineuses émises vers lui. A température ambiante, le corps noir n’émet pas de radiations visibles c’est pour cela qu’il est nommé corps noir. Cependant, il émet un rayonnement thermique (infrarouge). La température de couleur établit ainsi une correspondance entre une couleur et une température. L’unité est le Kelvin (dont le 0° commence à -273°C, pour faire simple 1000K sont équivalent à 1273 °C).

 

La température de couleur d'une source lumineuse, consiste donc à comparer l’ensemble des caractéristiques colorimétriques d'un stimulus de couleur à celle du corps noir (modèle mathématique qui absorberait tous les rayonnements) qui n'émettrait que par effet thermique.

Toutefois, la température de couleur d'une source n'a de rapport avec la température (thermique) effective de l'élément lumineux que si elle produit de la lumière par incandescence, comme le soleil, mais également pour la lumière artificielle (la flamme d’une bougie, une lampe à incandescence etc.). Pour d’autres sources de lumière « thermiquement froide », la température réelle est nettement inférieure à la température de couleur. Ces sources, dites "luminescentes", sont capables d’émettre un rayonnement électromagnétique dans le spectre de la lumière visible en raison d’une réaction chimique, électrique ou biologique sans dégagement intense de chaleur. Par exemple, une diode électroluminescente peut émettre du bleu sans chaleur et avoir une température de couleur élevée, puisque le bleu se situe après 7000K.

Ainsi, la température de couleur est étendue à toute source de lumière, que le corps émette de la lumière par rayonnement thermique ou par d'autres phénomènes physiques.

 

Se repérer dans les valeurs de température de couleur par rapport à la lumière naturelle

La lumière du soleil varie en température de couleur tout au long de la journée et passe d’environ 2000 K à environ 6000 K en lumière directe. Si par exemple à midi, le ciel est couvert de nuages, ces derniers vont jouer un rôle de « filtre » par rapport aux longueurs d’ondes des rayonnements reçus. La proportion de bleu augmente et la lumière devient encore plus "froide", la température de couleur se situe alors aux environs de 7000 K. La température de couleur d’une source de lumière artificielle permet d’apporter une indication sur l’aspect de la lumière générée. Un luminaire à faible température de couleur tendra vers des nuances rouges, alors qu’une source à haute température de couleur tendra vers le bleu.

 

© Vincent Laganier – photo : Gerard Giesbers

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