Pollution par la lumière polarisée

Dans la nature, l'eau et la vapeur d'eau polarisent la lumière solaire sous d'autres plans que le plan vertical, naturel.

Les yeux à facette de Platycnemis pennipes collectent une lumière directe ou incidente.

Selon son incidence par rapport à la direction de la lumière un filtre polariseur laisse passer ou non (« détecte » ou non) la lumière.

Exemple de modification de l’apparence d’un matériau observé au microscope, tournant sous un faisceau (immobile) de lumière polarisée.

Œil composé.

Grâce à divers processus, les yeux de nombreux insectes captent des informations portées par la polarisation de la lumière naturelle qui leur parvient (ici œil de drosophile).

De nombreux matériaux synthétique (polarisent ou parfois dépolarisent plus ou moins fortement la lumière ou réagissent de manière spécifique à la lumière polarisée (plastiques, verre, peintures, détergents (ex: bulle de savon).

Les films fins d'hydrocarbure ou de savon polarisent également la lumière

La pollution par la lumière polarisée (PLP, ou Polarized light pollution^[1] pour les anglophones) est un sous-ensemble des diverses formes de pollution lumineuse.

Dans la nature, l'eau et la vapeur d'eau polarisent la lumière solaire (elle-même légèrement polarisée). En percevant la direction de photons ainsi polarisés, certaines espèces peuvent s'orienter et très précisément percevoir la verticale ou corriger leur route (lors de migrations par exemple).
Des modifications artificielles de la polarisation de la lumière naturelle ou une lumière artificielle polarisée à sa source peuvent perturber ces espèces et secondairement les écosystèmes si ces espèces y jouent un rôle important (pollinisateurs par exemple).

Histoire de la notion

Jean-Baptiste Biot et ses successeurs ont montré que des solutions de produits organiques (fructose ou saccharose par exemple) peuvent polariser la lumière. Mais ce n'est que depuis quelques décennies qu'on pense que la lumière polarisée joue un rôle important dans les écosystèmes, en particulier dans le monde des insectes.

Plus récemment, alors que la notion de pollution lumineuse émergeait, on s'est posé la question d'éventuels impacts de la polarisation artificielle de la lumière par certaines sources ou matériaux anthropiques ou à leur contact.

Gábor Horváth et son équipe ont proposé^[1] que soit dorénavant utilisée cette expression nouvelle pour mieux décrire et comprendre, afin de pouvoir mieux les traiter les conséquences écologiques spécifiques (directes ou différées dans l’espace et le temps) de la lumière qui a été polarisée (à la source, ou en interagissant avec des objets fabriqués ou modifiés par l'homme).

Corpus scientifique

Les scientifiques connaissent bien le phénomène physique de polarisation de la lumière, mais leurs connaissances sur la manière dont de très nombreuses espèces perçoivent et utilisent la polarisation de la lumière qui leur arrive, ou qui peut être renvoyée de sa réverbération sur leur corps (élytres, écailles de papillons qui polarisent la lumière) sont encore incomplètes (d’autant que beaucoup d’espèces distinguent des longueurs d’onde, y compris dans l'ultra-violet que l’homme ne distingue pas, et dont l'intensité a augmenté sous les trous de la couche d'ozone).
La capacité de différentes formes de PLP à augmenter considérablement la mortalité (d'insectes par exemple) et les difficultés constatées à protéger la biodiversité et les capacités normales de vie et de reproduction d’espèces autrefois communes font suggérer à certains auteurs^[1] que la PLP devrait devenir un nouveau centre d’intérêt pour le domaine de la biologie de la conservation, et pour les aménageurs du territoire soucieux du développement soutenable.

Si un œil (ou n’importe quel matériau inerte transparent ou translucide) se comporte comme un filtre polarisant, quand il est traversé par une onde lumineuse déjà polarisée (lumière renvoyée par un pétale de fleur par exemple) il prend en physique le nom d'« analyseur ».
Cet analyseur permet de détecter l'état de polarisation d'une onde incidente.
Dans le cas de l’œil (de certaines espèces, pas de l’Homme), cet organe peut probablement sous certains angles par exemple mieux voir au travers de l’eau, là où nous ne voyons que le reflet du ciel, et inversement pour un animal qui est sous l’eau et qui doit percevoir un prédateur plongeant sur lui venant du ciel. Le photographe peut ainsi utiliser un filtre polarisant pour éliminer les reflets (ou les exacerber selon sa position).

Histoire du concept

Depuis quelques années, de nombreux auteurs se sont intéressé aux effets généraux et délétères de l’éclairage nocturne sur les animaux et les écosystèmes, phénomène englobés dans la notion de pollution lumineuse. La pollution lumineuse regroupe toutes les conséquences de l’altération des cycles nycthéméraux par des sources artificielles de lumière, ou certains effets de la lumière artificielle (y compris de jour). Mais une lumière naturelle peut être filtrée et se voir polarisée ou transformée (changement de couleur, etc.) par le matériaux qui la filtre, en absorbe une partie et en renvoie une autre ou la réverbère (la réflexion sur une surface, l’absorption dichroïque, ou un matériau biréfringent peuvent polariser la lumière naturelle). Sa nouvelle forme peut alors affecter certaines espèces dont les yeux ou des cellules photosensibles peuvent percevoir et utiliser la polarisation. Un de ces phénomènes est connu depuis longtemps avec le « miroir aux alouettes », mais d’autres formes de troubles liés à la lumière artificielle ou artificiellement déformée sont plus subtils, moins visibles. On ne les étudie que depuis peu.

Certains chercheurs^[1] tels que Gábor Horváth et Péter Malik du laboratoire de bio-optique (Biooptics Laboratory^[2]), ainsi que György Kriska, de l'Institut de biologie de l’université d’Eötvös à Budapest^[3] ou Bruce Robertson^[4]se sont récemment intéressés à un sous-ensemble des phénomènes appartenant à la pollution lumineuse ; Ils ont étudié les altération de certaines fonctions biologiques ou écologiques chez des taxons animaux capables d’exploiter comme une source d'information cette caractéristique de la lumière qui est son sens de polarisation (exemples plus bas).

En 2009, Gábor Horváth et son équipe ont proposé que soit dorénavant utilisée une expression nouvelle (« pollution par la lumière polarisée » ou polarized light pollution ou PLP) afin de mieux décrire pour si-possible traiter les conséquences écologiques spécifiques (directes ou différées dans l’espace et le temps) de la lumière qui a été polarisée (à la source, ou en interagissant avec des objets fabriqués ou modifiés par l'homme).
Ils ont montré que certaines sources artificielles de lumière polarisée peuvent déclencher des comportements anormaux et inadaptés (pouvant éventuellement conduire à la mort de l’individu) chez les espèces (ou taxons) sensibles à la lumière polarisée.
Ce type de lumière altère leur comportement individuel, mais peut aussi secondairement modifier les comportement et la dynamique des populations qui y est exposé, et induire des interactions écologiques entre ces espèces et d’autres ou entre ces espèces et leur environnement et conduire à des modifications ou dégradations écosystémiques.

C’est un des thèmes qui en France devraient être traités dans l’après-Grenelle de l’environnement, via notamment les lois dites Grenelle 1 et Grenelle 2, via les articles qui concernent la pollution lumineuse.

Causes de PLP

La PLP est une des conséquences discrètes, mais fréquentes de certaines technologies et de certains matériaux développées ces dernières décennies (surface de verre réfléchissant, tôles et carrosseries métalliques brillantes des voitures, routes asphaltées, les façades d'immeubles en métal poli, films plastiques utilisés pour les serres agricoles ou les cultures au sol, etc.

• Les matériaux dichroïques sont caractérisés par une absorption sélective de la lumière, qui dépend de la direction d'observation ; la lumière qui les atteint est réfléchie polarisée et une lumière incidente polarisée peut en sortir plus ou moins affaiblie. Les animaux (insectes en particulier) peuvent confondre une surface (verre, tôle peinte) renvoyant certains types de lumière polarisée avec une surface en eau ; ou peut-être une absence de surface^[5].
• La lumière du soleil (ou celle réfléchie par la Lune) est faiblement polarisée et le reste même après avoir traversé les nuages, ou dans une atmosphère où la lumière parait homogène ou diffuse, la lumière réfléchie par une surface d'eau ou certaines surfaces végétales est fortement polarisée et cette polarisation ne varie pas avec la luminosité ce qui permet à certaine espèces de s’orienter (probablement jusqu’à grande profondeur, ou dans une eau relativement turbide). Certains matériaux renvoient la lumière à la manière d'une surface en eau, en la polarisant.

Exemples d'animaux capables de « voir » et utiliser la polarisation de la lumière

De nombreux animaux perçoivent et utilisent la polarisation de la lumière, qu'ils utilisent souvent pour la navigation, car le jour, la polarisation de la lumière du ciel est toujours parfaitement perpendiculaire à la direction du soleil. Cette capacité a été observée chez des invertébrés et vertébrés, en particulier chez des insectes, des crustacés, des acariens, des céphalopodes, des oiseaux.

• L'araignée Drassodes cupreus possède plusieurs paires d'« yeux » spécialisés dans la détection de la polarisation de la lumière.
• les abeilles utilisent la polarisation de la lumière solaire pour se diriger et lors de leur danse communicative.
• Le criquet Schistocerca gregaria semble exclusivement utiliser la polarisation de la lumière pour s’orienter, grâce à des photorécepteurs particuliers positionnés en périphérie de ses yeux.
• Le record est détenu par un squille multicolore (Odontodactylus scyllarus), l’une des espèces de crevette-mante, qui dispose d’yeux équipés de nanocapteurs biologiques dont les capacités de détection de la polarisation de la lumière, sont très supérieures à celles des dispositifs technologiques produits par l'homme^[6] Les photorécepteurs sont des faisceaux de microtubules lipidiques longs de 150 micromètres et faisant 40 nanomètres de diamètre externe, contiennent des photopigments. Leur structure combine la biréfringence due à l'empilement périodique de nanostructures et une biréfringence intrinsèque des microtubes, ce qui fait de cet organe une « lame quart d'onde » achromatique (qui fonctionne quelle que soit la longueur d'onde lumineuse, et sur toute l'étendue du spectre visible, ce qu’aucune technologie connue ne peut faire en 2010).
• On a aussi observé la capacité de percevoir la lumière polarisée chez certaines espèces de pieuvres, calmars, seiches. Mieux, des céphalopodes telle que l'espèce de la sèche Sepia officinalis peuvent contrôler et moduler la polarisation de la lumière réfléchie sous l'eau par leur peau qui - sans changer de couleur - peut ainsi renvoyer une « information » à un œil capable de détecter les variations de polarisation de la lumière, peut être pour communiquer secrètement avec leurs congénères, ou échapper à des prédateurs^[7],[8],[9]
• On a longtemps pensé que le pigeon, excellent migrateurs perçevait la polarisation de la lumière, même s'il dispose d'autres moyens de se repérer ou de corriger sa route. Si c'est le cas, on n'en connait pas le mécanisme oculaire^[10].

Remédiation

Si la technologie et de nombreux matériaux ont été à l’origine de polarisation artificielle et involontaire de la lumière solaire ou de lumières artificielles, certaines technologies et matériaux nouveaux pourraient aussi permettre de mieux le mesurer et d’atténuer ce problème.
C'est un des nouveaux domaines que l’écoconception pourrait ou devrait traiter. Des matériaux
G. Horváth et son équipe suggèrent d’utiliser dans l’environnement de manière générale des surfaces plus rugueuses et moins sombres, et de diminuant l'éclairage nocturne près des surfaces réfléchissantes (parkings et immeubles), ce qui peut se faire en utilisant des dispositifs de détection n’allumant les lumières que là et quand elles sont nécessaires.

Voir aussi

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Liens internes

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Liens externes

Organismes

• Association nationale pour la protection du ciel et de l'environnement nocturnes (ANPCN)
• Association pour la dauvegarde du ciel et de l'environnement nocturnes (ASCEN) - Belgique

Recherches

• Recherches sur la modélisation hétérogère et la détection hyperspectrale de la pollution lumineuse
• (it)(en) Travaux universitaires de Pierantonio Cinzano

Notes et références

1. ↑ ^{a, b, c et d} Gábor Horváth, György Kriska, Péter Malik, Bruce Robertson. (2009) Polarized light pollution: a new kind of ecological photopollution. Frontiers in Ecology and the Environment 7:6, 317-325 Accès Online2009/08
2. ↑ Department of Biological Physics, Physical Institute, Eötvös University, Budapest, Hongrie
3. ↑ Group for Methodology in Biology Teaching, Biological Institute de l’université d’Eötvös à Budapest
4. ↑ WK Kellogg Biological Station, Michigan State University, Hickory Corners, MI
5. ↑ La lumière polarisée réfléchie par des véhicules, des routes ou des bâtiments perturbe le comportement de nombreux animaux, parfois fatalement, 22/01/2009, consulté 2010/02/03
6. ↑ Maurice Mashaal ; « Optique de haute technologie chez la crevette-mante », revue Pour la science, 2009//11/02 (consulté 2010/02/03)
7. ↑ J.-M. Courty et É. Kierlik, La seiche polarisante, Pour la Science, n°334, pp. 98-99, août 2005
8. ↑ T. W. Cronin et al., Polarization vision and its role in biological signaling, in Integr. Comp. Biol., vol. 43, pp. 549-558, 2003. .
9. ↑ R. Wehner, Polarization vision – a uniform sensory capacity ? in Journal of Experimental Biology, vol. 204, pp. 2589-2596, 2001.
10. ↑ "No evidence for polarization sensitivity in the pigeon electroretinogram", J. J. Vos Hzn, M. A. J. M. Coemans & J. F. W. Nuboer, The Journal of Experimental Biology, 1995.