Infrarouge

Les rayons infrarouges sont des ondes électromagnétiques de fréquence comprise entre 3 THz et 385 THz. Leur longueur d'onde dans le vide est comprise entre 0,1 mm et 780 nm.

Dans le passé, les fréquence comprises entre 300 GHz et 3 THz dont les longueurs d'ondes vont de 1 mm à 0,1 mm étaient aussi comptées comme infrarouges avant de recevoir un nom spécifique.

Dans le spectre électromagnétique ils se situent entre les ondes radio et la lumière visible. Ils portent justement ce nom car ils sont juste avant (« infra ») le rouge de la lumière visible.

L’infrarouge et la chaleur

Image d’un chien en infrarouge. Les parties les plus chaudes de la tête apparaissent claires.

À des températures pas trop élevées (moins de 1 000 °C), c'est le principal type de rayonnement qui est produit spontanément par la matière.

En effet, la chaleur ordinaire à 27 °C = 300 Kelvin, émet un rayonnement infrarouge, suivant les mêmes lois de physique que la lumière émise par la soleil vers 6 000 °C, mais à plus grande longueur d'onde et avec moins d'énergie dans un spectre thermique.

Toutes les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie et cette énergie peut toujours prendre la forme de chaleur. Simplement, sur Terre et aux températures habituelles (entre 0 et 50 °C), les corps émettent naturellement dans l’infrarouge plutôt que des longueur d'ondes plus courtes comme celles de la lumière visible. C’est un résultat de la loi de Wien, une loi de la thermodynamique concernant le rayonnement des corps. On observe que, quand on chauffe de plus en plus fort un morceau de métal, celui-ci finit par s’éclairer en rouge, puis en orange, puis se rapproche du blanc légèrement orangé. Il est incandescent, à plus de 1 000 °C et émet de plus en plus de lumière visible.

Pour en savoir plus, lis l’article : Rayonnement thermique.

Au contraire, le rayonnement fossile issu de l'expansion de l'Univers est très froid, 2,7 K soit −270,45 °C. Il émet dans les plus basses fréquences de l'infrarouge, proches des micro-ondes.

Si nos yeux étaient habitués à voir l'infrarouge, nous pourrions voir en pleine nuit grâce à la chaleur émise par notre environnement. Comme les animaux ou les personnes ont un corps plus chaud que ce qui les entoure, ils paraitraient plus lumineux. Bien qu'ils n'utilisent pas leurs yeux pour le faire, les serpents peuvent détecter leurs proies à partir de la chaleur (et donc des infrarouges) qu'elles émettent.

Si nous vivions sur une planète beaucoup plus chaude, peut-être serions-nous habitués à voir les objets briller comme notre métal incandescent et nous penserions alors que la chaleur se transmet par la lumière visible plutôt que par l’infrarouge. Mais on serait mort brulés bien avant.

Propagation des infrarouges

Comme toutes les ondes électromagnétiques, les infrarouges se propagent dans le vide en ligne droite sans jamais perdre de l'énergie .

Par contre, la plupart des infrarouges sont absorbés par la matière rencontrée et n'en ressortent pas de l'autre coté comme le fait la lumière qui traverse une vitre. Mais lorsque des infrarouges sont absorbés, l'énergie qu'ils transportent n'est pas perdue. La matière qui a absorbé des infrarouges se réchauffe et renverra plus tard d'autres infrarouges sous la forme d'un rayonnement thermique.

En fait, tout rayonnement électromagnétique absorbé va réchauffer le bloc de matière qui l'absorbe. Ainsi, si un a deux objets construits dans le même type de matière, l'un noir et l'autre blanc et qu'on les met tous les deux au soleil, c'est l'objet noir qui se réchauffera le plus vite.

• l'objet blanc renvoie la lumière visible qu'il reçoit,
• l'objet noir l'absorbe et récupère ainsi son énergie qui sera plus tard renvoyée sous forme de rayonnements infrarouge.

L'air qui nous entoure est composé en grande partie d'azote et d'oxygène. Il est relativement transparent aux rayons infrarouges. Mais d'autres gaz comme le gaz carbonique ou le méthane absorbent davantage d'infrarouges, ce qui participe, lorsque la proportion de ces gaz augmente, au réchauffement climatique.

Utilisation

Vue en infrarouge de la Voie lactée par le télescope Spitzer de la NASA (fausses couleurs)

Les infrarouges et la possibilité de les détecter sont utilisés dans de nombreuses applications :

• le chauffage : on trouve des lampes à infrarouge qui permettent de chauffer directement un endroit, plutôt que de réchauffer l’air ambiant par conduction et convection comme le font la plupart des chauffages domestiques. Ce type de chauffage est donc plus rapidement ressenti, mais cesse pratiquement dès que la lampe s’éteint (car ce sont les rayons qui chauffent, et non l’air ambiant).

• l’analyse du spectre lumineux de certains objets célestes : pour les plus éloignés, on utilise des télescopes placés dans l’espace comme le télescope spatial James-Webb qui peuvent détecter des longueurs d'ondes de l’infrarouge arrêtées par l'atmosphère terrestre ;

• les systèmes d'ouverture de portail qui détectent le passage d'une personne ou d'un véhicule et évitent de se refermer à ce moment là ;

• certaines communications à courte distance entre appareils, comme entre une télécommande et une télévision ;

• les transmissions par fibre optique : les fibres en silice sont très transparentes autour de 1 550 nm et permettent donc de transmettre des informations sur de grandes distances avec une faible atténuation du signal ;

• les détecteurs et lunettes à infrarouges, qui permettent de voir dans le noir ;

• le guidage de certains missiles qui se dirigent ainsi vers la source de chaleur que sont les réacteurs d'un avion, ou d'un autre missile qu'on veut intercepter avant qu'il n'arrive au sol ;

• la détection de camouflages : en effet, les feuilles de plantes renvoient beaucoup le proche infrarouge alors que la peinture verte ne le fait pas ;

• la détection d'eau dans des vues aériennes : au contraire, l'eau absorbe le proche infrarouge beaucoup plus que la terre et d'autres matériaux ;

• la thermographie, qui permet par exemple de localiser les problèmes d’isolation thermique  d’une habitation ;

• les satellites météorologiques récupèrent le rayonnement infrarouge émis par les sols, les océans et les nuages pour en tirer des informations sur leur température, qui permet de prévoir l’évolution du temps ;

Références

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