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FenĂȘtre de Snell

La fenĂȘtre de Snell (ou « cercle de Snell »[1], ou « trou optique »[2]) est un phĂ©nomĂšne d'optique subaquatique liĂ©e aux propriĂ©tĂ©s de l'interface eau/atmosphĂšre, Cette expression fait rĂ©fĂ©rence Ă  la Loi de Snell (aussi dĂ©nommĂ©e Loi de Snell-Descartes), dĂ©veloppĂ©e par le mathĂ©maticien et physicien nĂ©erlandais Willebrord Snell van Royen (ou Snellius), collectionneur d'instruments astronomiques et d'optiques, et passionnĂ© par les questions d'optique.

Exemple de fenĂȘtre de Snell, en mer. La pĂ©riphĂ©rie de l'image concentrĂ©e dans la fenĂȘtre ronde est quasiment noire
Ici en raison des vagues, l'image est dĂ©formĂ©e dans la fenĂȘtre de Snell (on distingue le ciel rĂ©fractĂ© et une structure, en bleu-gris Ă  droite).
Et hors de la fenĂȘtre (sur la gauche) c'est le fond/dĂ©cor qui est rĂ©flĂ©chi sous la surface comme s'il s'agissait d'un miroir souple et mouvant.
En bordure de la fenĂȘtre la lumiĂšre semble disparaĂźtre et le bleu devient plus foncĂ©
Le phĂ©nomĂšne peut ĂȘtre perçu dans un grand aquarium (ici Ă  St Louis)
Les lois de la rĂ©fraction prĂ©disent qu'au-delĂ  d'une certaine inclinaison, les rayons ne franchissent plus le dioptre : ils sont rĂ©flĂ©chis. Ceci explique l'effet miroir observĂ© au niveau de la surface quand celle-ci est observĂ©e de dessous, hors de la fenĂȘtre de Snell

C'est le phĂ©nomĂšne par lequel un spectateur situĂ© Ă  plusieurs mĂštres sous l'eau et regardant vers la surface ne voit ce qui est au-dessus de la surface qu'Ă  travers un cĂŽne de perception de la lumiĂšre large d'environ 96 degrĂ©s[3]. La zone situĂ©e Ă  l'extĂ©rieur de cette « fenĂȘtre de Snell Â» apparait Ă  ce spectateur subaquatique soit complĂštement sombre soit rĂ©flĂ©chit le dĂ©cor subaquatique ou la partie infĂ©rieure d'objets semi-immergĂ©s.

Formation de l'image dans la fenĂȘtre de Snell

En conditions idĂ©ales, un observateur regardant la surface de l'eau Ă  partir du dessous et exactement au-dessus de lui verrait une image parfaitement circulaire reprĂ©sentant le dĂ©cor d'un horizon Ă  l'autre. En raison de la rĂ©fraction de la lumiĂšre qui se produit Ă  la limite atmosphĂšre/eau, la fenĂȘtre de Snell comprime le dĂ©cor visible dans un angle de vision de 180°, ce qui donne un effet similaire Ă  celui d'un objectif fisheye de 97°. La luminositĂ© de l'image chute brutalement Ă  sa circonfĂ©rence/horizon car la lumiĂšre incidente Ă  des angles rasants faibles est rĂ©flĂ©chie plutĂŽt que rĂ©fractĂ©e (cf. Ă©quations de Fresnel).

En rĂ©alitĂ©, la rĂ©fraction est extrĂȘmement sensible Ă  la moindre perturbation ou irrĂ©gularitĂ©s de la planĂ©itĂ© de la surface (rides, houles, objets flottants). Ceci entraĂźne des distorsions locales et mouvantes de l'image voire sa dĂ©sintĂ©gration complĂšte.
De plus, dans la nature l'eau est trÚs rarement totalement limpide ; Plus elle est turbide, plus la matiÚre en suspension va voiler l'image dans le halo de lumiÚre diffusée.

Biologie, écologie

Du point de vue perceptif pour les animaux marins, la fenĂȘtre de Snell agit comme un puits de lumiĂšre[4]. Certains poissons, comme les Tylosurus, peuvent sauter en l'air avant de plonger pour bĂ©nĂ©ficier ainsi d'un effet de surprise sur leurs proies [5].

Par temps ensoleillĂ© ou pleine lune, de nombreux animaux subaquatiques (comme la crevette Palaemonetes vulgaris Ă©tudiĂ©e de ce point de vue[4]) sont capables de percevoir des motifs de polarisation du ciel visible Ă  travers la fenĂȘtre de Snell, et de les utiliser pour s'orienter ou se rĂ©orienter (notamment quand le milieu est turbulent ou en pĂ©riode de migration), ceci bien que le motif de polarisation cĂ©leste soit perpĂ©tuellement dĂ©formĂ© par les vagues ou les ondes de surface, et modifiĂ© Ă  l'interface air-eau par la rĂ©fraction et la repolarisation dans le « puits de lumiĂšre »[4].

Certains phénomÚnes de pollution lumineuse ou des pollutions par film d'hydrocarbures peuvent négativement interférer avec ces phénomÚnes.

Photographie subaquatique

Le photographe sous-marine (ou en eau douce) peut exploiter ce phĂ©nomĂšne, notamment avec un objectif grand-angle en photographiant un sujet situĂ© « au zĂ©nith » entre le photographe et la fenĂȘtre de Snell qui donnera un effet de rĂ©troĂ©clairage mettant l'accent sur le sujet, un flash permettant que ce dernier ne se dĂ©coupe pas uniquement en ombre chinoise sur le fond clair de la surface. Si la surface est parfaitement claire et calme, le dĂ©cor situĂ© au-dessus de la fenĂȘtre et Ă  ses abords est visible (sinon sa vision est dĂ©formĂ©e par les vagues et remous).

Modélisation

Le degrĂ© et la direction de polarisation linĂ©aire, le facteur de transmission et la forme de l'image dĂ©formĂ©e par la rĂ©fraction polarisation peuvent ĂȘtre calculĂ©s et modĂ©lisĂ©s en fonction de la distance du zĂ©nith du soleil (ou de la lune) et selon que le ciel soit dĂ©gagĂ© ou plus ou moins couvert[4]. Il est ainsi possible de produire des images de synthĂšse crĂ©dibles pour le cinĂ©ma, des prĂ©sentations pĂ©dagogiques ou pour des jeux vidĂ©o.

Ces modÚles de réfraction-polarisation peuvent aussi aider à comprendre comment les organismes animaux s'orientent et perçoivent leur environnement[4].

Notes et références

  1. Dave Hughes (1990). Tactics for Trout. Stackpole Books. (ISBN 0-8117-2403-4).
  2. David K. Lynch and William Livingstone (2001). Color and Light in Nature. Cambridge University Press. p. 79. (ISBN 0-521-77504-3)
  3. Martin Edge and Ian Turner (1999). The Underwater Photographer. Focal Press. (ISBN 0-240-51581-1).
  4. GĂĄbor HorvĂĄth & Dezsö VarjĂș (1995) Underwater refraction-polarization patterns of skylight perceived by aquatic animals through Snell's window of the flat water surface ; Vision Research ; Volume 35, Issue 12, juin 1995, Pages 1651–1666 doi:10.1016/0042-6989(94)00254-J
  5. Recension d'un article du Journal of Fish Biology dans "Fish bring death from above", Nature, 527, 137 (12 November 2015) doi:10.1038/527137d

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes


Bibliographie


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