1.3. La lumière
De tous les facteurs externes de détérioration, la lumière est celui qui cause les dégâts les plus insidieux et les plus irréparables.
L'exposition à la lumière des documents déclenche une série complexe de réactions photo-chimiques aboutissant par exemple à la modification des molécules de la cellulose ou à l’effacement des pigments.
La vitesse plus ou moins grande de cette détérioration est liée
à la température et à l'humidité de l'air ambiant
à la nature et à l'intensité de la lumière.
1.3.1. Quelques notions de physique
La lumière établit un lien entre un objet A et un récepteur B (œil, appareil photo, etc…). L’information issue de l’objet A nécessite pour activer le récepteur un transport d’énergie.
Suivant leurs préoccupations, les physiciens ont été amenés à élaborer différents modèles de la lumière :
Le modèle géométrique
c’est le modèle du rayon lumineux. Dans ce modèle la lumière se propage d’un point A à un point B suivant une ligne droite ou rayon.
Le modèle ondulatoire s’est progressivement imposé devant l’impossibilité du précédent modèle à expliquer des phénomènes tels que l’arc-en-ciel, le bleu du ciel, etc…Dans ce modèle, la propagation de la lumière s’effectue par ondes.
Le modèle corpusculaire
Élaboré au début du XXe siècle par le physicien Planck , ce modèle considère que la lumière est formée de grains ou photons, d’énergie E= hν (h est la constante de Planck, ν la fréquence de l’onde électromagnétique correspondant à cette lumière dans le modèle ondulatoire) se déplaçant à la vitesse c d’un point A vers un point B. Ce modèle permet d’expliquer certaines interactions lumière-matière telles que l’effet photoélectrique, la fluorescence, etc…
le modèle de l'électrodynamique quantique plus récent (1954) s’affranchit de toutes les difficultés des autres modèles et fait la synthèse de toutes les propriétés de la lumière.
Le modèle corpusculaire permet d'expliquer les mécanismes d'émission de la lumière qui s'effectuent au niveau de l'atome.
Analyser la lumière, c'est connaître son contenu spectral (longueur d'onde). On utilise pour cela des spectroscopes. La lumière visible ne représente qu'une partie du spectre du rayonnement électromagnétique solaire.
La quantité de rayonnement reçue par un objet est un facteur décisif pour sa conservation. Il est donc important de pouvoir la mesurer.
La lumière blanche est composée de différentes couleurs qui peuvent être ramenées aux trois couleurs primaires : le bleu, le vert, le rouge.
Ces trois couleurs peuvent se trouver en proportions variables dans la composition de la lumière essentiellement à cause de l’atmosphère : les poussières en suspension, la brume absorbent les longueurs d’ondes courtes correspondant au bleu et au vert et beaucoup les longueurs d’onde longues (jaune, orange, rouge).
L’œil ne perçoit pas de changement de couleur tant que la variation n’atteint pas certaines limites. Au-delà de ces limites, il perçoit une dominante colorée.
Au lever et au coucher du soleil par exemple, les longueurs d’onde les plus courtes qui correspondent au bleu sont absorbées par l’atmosphère. La lumière nous paraît alors rouge orangée par manque de composante bleue. On dit couramment et improprement qu’à ce moment la lumière est plus " chaude ".
La notion qui définit la composition de la lumière et ses variations est appelée " température de couleur ".
1.3.1.1. Le modèle ondulatoire : longueur d'onde et fréquence
Dans ce modèle, la propagation de la lumière s'effectue par ondes. Un point source émet des ondes sphériques qui à grande distance peuvent être considérées comme planes. Ce principe, énoncé par Huygens en 1678, complété par Fresnel en 1818 a été parachevé par Maxwell en 1876. Dans ce modèle, la lumière est une onde électromagnétique, solution des équations de Maxwell.
Qu'est-ce qu'une onde ?
Si l'on jette un caillou dans l'eau, des vagues se forment et s'écartent en cercles concentriques autour de l'endroit où il est tombé. Il y a eu perturbation de la surface de l'eau.
Ceci est un exemple d'onde : une onde est une perturbation qui se déplace.
Une onde peut se déplacer à la surface de l'eau, comme dans l'exemple ci-dessus, dans l'air (ondes sonores) ou dans le vide (ondes électromagnétiques)
Si un bouchon flotte à la surface de l'eau ainsi perturbée, une vague va le soulever, mais il redescendra à la même place. L'onde n'est qu'une énergie qui circule, la perturbation se déplace sans emporter de matière avec elle.
L'énergie qu'elle transporte représente aussi de l'information pour nos sens. C'est pour cela que nous sommes dotés de récepteurs d'ondes : les yeux pour recevoir la lumière, les oreilles pour recevoir le son .
Une onde est caractérisée par plusieurs paramètres : l'amplitude a, la longueur d'onde λ, , la fréquence ν, et la période T.
Dans l'exemple de la surface de l'eau perturbée par un caillou, l'amplitude est la hauteur de la vague, la longueur d'onde λ est la distance qui sépare deux vagues successives. L'unité de mesure de la longueur d'onde de la lumière visible est le nanomètre (nm) qui correspond à un millionième de mm.
Si l'on reprend l'exemple du bouchon qui flotte sur l'eau, le passage de la vague va le faire monter et descendre alternativement. On appelle fréquence ν le nombre d'allers et de retours que fait le bouchon pendant une seconde. Plus les allers et retours du bouchon sont rapides, plus la fréquence est grande.
L'intervalle de temps entre deux maxima successifs du bouchon est appelé période T. La fréquence d'une onde est donc le nombre de périodes par seconde. ν = 1/T.
L'unité de mesure de la fréquence est le Herz. C'est en fait une mesure de l'énergie qui circule.
La fréquence et la longueur d'onde des ondes électromagnétiques sont liées par la relation λ=c/ν (où c est la vitesse de la lumière). Quand la fréquence augmente, la longueur d'onde diminue.
1.3.1.2. L'émission de la lumière
Le modèle corpusculaire permet d'expliquer les mécanismes d'émission de la lumière qui s'effectuent au niveau de l'atome.
Rappels sur le modèle de l'atome
L'atome est constitué d'un noyau positif comportant p protons chargés positivement et n neutrons neutres, entouré de p électrons négatifs. L'ensemble est électriquement neutre. Du point de vue énergétique, l'atome présente des niveaux d'énergie correspondant à des couches électroniques sur lesquelles se répartissent les électrons : l'énergie est quantifiée.
Emission de la lumière
Lorsqu'un atome est excité par un apport extérieur d'énergie, de la chaleur par exemple, les électrons passent sur des niveaux d'énergie supérieurs.
La durée de vie de ces niveaux étant très faible, ils retournent spontanément sur un niveau inférieur en émettant un photon de fréquence ν telle que la différence d'énergie entre les deux niveaux E1-E2= hν.
Il y a autant de fréquences émises que de transitions. On dit que l'on a un spectre de raies (discontinu). Chaque élément possède un spectre de raies caractéristique.
Un spectre continu correspond à un très grand nombre de niveaux préalablement excités et très proches les un des autres. Le rayonnement thermique a un spectre continu.
les mécanismes d'excitation
Les sources habituelles de lumière, que l'on peut classer en deux groupes, font appel à divers mécanismes d'excitation :
les sources chaudes pour lesquelles l'excitation se fait par chocs de particules matérielles (électrons, ions, molécules) ayant été accélérées électriquement ou thermiquement.
les sources froides dues à l'excitation par un rayonnement électromagnétique.
1.3.1.3. Lumière et spectres
La lumière visible ne représente qu'une partie du spectre du rayonnement électromagnétique solaire selon le schéma ci-contre.
La lumière blanche, visible par l’œil humain, se compose de toutes les couleurs. Un rayon de lumière est en fait la somme de rayonnements lumineux plus simples, chacun ayant sa propre couleur.
Un arc en ciel est en réalité la décomposition de la lumière blanche par des gouttelettes d'eau en suspension dans l'atmosphère qui agissent à la manière d'un prisme. La représentation colorée de cette décomposition s'appelle un spectre.
Chaque couleur est caractérisée par une longueur d'onde et une fréquence.
Le spectre de la lumière visible s'étend de λ=400 à 780 nm. Les rayonnements émis par le soleil et les sources lumineuses courantes couvrent une bande plus large que celle de la lumière visible, qui englobe les rayons ultraviolets (UV) et infrarouges (IR).
Le nanomètre est la mesure couramment utilisée pour le rayonnement visible. Pour les rayonnements ultraviolets et infrarouges, on utilise plutôt la fréquence exprimée en Hertz.
L'énergie du rayonnement augmente avec la fréquence (E=hν), donc avec la diminution de la longueur d'onde.
A quantité égale, la lumière rouge a moins d' énergie qu'une lumière bleue ou violette. Le rayonnement infrarouge a moins d' énergie que le rayonnement ultraviolet.
Le rayonnement ultraviolet est donc particulièrement dangereux, à cause de son énergie élevée. De plus, il n’est pas perceptible par nos sens.
1.3.1.4. La mesure du rayonnement
Les unités photométriques sont définies pour la lumière blanche, visible à l'œil nu.
l'intensité lumineuse a pour unité le candela ou flux rayonné par unité d'angle solide par des sources étalons (lampes électrique au tungstène) conservées dans les grands laboratoires de photométrie
le flux lumineux est la quantité d'énergie lumineuse émise dans un angle solide. C'est une énergie qui s'exprime en watts. Pour la lumière blanche l'unité de flux lumineux est le lumen. C'est le flux émis dans un angle solide égal à l'unité par une source d'intensité 1 candela.
l'éclairement est la quantité de lumière incidente sur une surface. L'unité d'éclairement pour la lumière blanche est le lux. C'est l'éclairement produit par 1 lumen tombant sur une surface d'1m2.
l'émittance ou flux rayonné par unité de surface d'une source étendue s'exprime en lumen par m2.
Pour la mesure du rayonnement ultraviolet, on utilise :
soit le µW/lm (microwatt par lumen) : c'est le rapport entre le rayonnement UV et la quantité totale de lumière;
soit le µW /m2 (microwatt par mètre carré) : c'est la mesure du rayonnement UV sur une surface déterminée.
1.3.1.5. La température de couleur
La température de couleur est la température exprimée en Kelvin à laquelle le corps noir émet un rayonnement de composition spectrale identique à celle du rayonnement émis par la source lumineuse considérée. Il n'y a pas nécessairement de relation entre la température de couleur et la température vraie.
Un corps noir est un corps qui absorbe toutes les radiations et qui réémet un rayonnement en équilibre thermique, grâce à l'agitation thermique de ses atomes. La couleur de la lumière réémise, déterminée par l'ensemble des longueurs d'ondes qui la composent, est liée à la température du corps noir émetteur.
La luminance spectrale énergétique I est donnée en fonction de la longueur d'onde pour trois corps noirs de température 4000K, 5000K et 6000K (site du Comité de liaison Enseignants astronomes :
En analysant le spectre émis par un corps noir, représentant une source thermique idéale, on constate que c'est vers une température de 5500 Kelvin que ce dernier émet un spectre analogue à celui que nous recevons du soleil. Par comparaison avec un corps noir, on peut également assigner à toutes les sources thermiques une valeur de température de couleur, exprimée en Kelvin, qui précise la répartition spectrale des sources thermiques : En analysant le spectre émis par un corps noir, représentant une source thermique idéale, on constate que c'est vers une température de 5500 Kelvin que ce dernier émet approximativement la même quantité d'énergie dans toutes les longueurs d'onde.
Par comparaison avec un corps noir, on peut également assigner à toutes les sources thermiques une valeur de température de couleur, exprimée en Kelvin, qui précise la répartition spectrale des sources thermiques :
si la température de couleur est inférieure à 5500K, la composition spectrale est déficitaire en radiations bleues. La lumière a une tendance jaunâtre. On dit improprement qu'elle est " chaude ", alors que pour le physicien elle est plus froide.
inversement, si la température de couleur est supérieure à 5500K, la composition spectrale est excédentaire en radiations bleues. La lumière a une tendance bleuâtre. On dit improprement qu'elle est " froide ".
enfin, si la température de couleur est de 5500 K, la composition spectrale est équivalente en radiations bleues vertes et rouges.
Plus la température de couleur est élevée, plus la lumière est dite " froide ", c’est-à-dire comporte de radiations d’ondes courtes correspondant au bleu.
La composition spectrale de la lumière a une influence non négligeable sur la conservation des documents.
Température de couleur des principales sources de lumière
Lumière du soleil | 6000 K en moyenne |
Lumière du soleil par temps couvert | 4000 K en moyenne |
Lumière du jour, sans soleil, à midi | 6000 K |
Lumière du soleil par ciel clair en haute montagne | 11000 K |
Lampe à incandescence de 40 watts | 2200 K |
Lampe halogène (500 watts) | 3200 K |
Les tubes fluorescents ont des températures de couleur très variables
Tube fluorescent " blanc chaud " | 2700 à 3000 K |
Tube fluorescent " blanc " | 4000 K |
Tube fluorescent " lumière du jour " | 5300 à 6500 K |
1.3.2. Les diverses sources lumineuses
Les différentes sources de lumière offrent une répartition très différente de leur rayonnement typique dans les domaines ultraviolet, lumière visible et infrarouge.
Cette répartition est importante pour la conservation.
Les sources lumineuses sont :
soit d'origine naturelle,
soit d'origine artificielle.
Dans les deux cas, les sources lumineuses peuvent être chaudes ou froides.
Complément : Les sources chaudes
La lumière produite par les sources chaudes émettant un spectre continu est due à divers mécanismes d'excitation :
thermique (lampe à incandescence)
chimique (combustion)
nucléaire (soleil, étoiles)
La lumière solaire présente les caractéristiques suivantes :
Elle comporte une part à peu près égale de toutes les fréquences situées entre l' UV et l' IR.
La part de rayonnements nocifs est très importante.
Les quantités de lumière sont très grandes
La lumière solaire directe n'est pas la seule lumière naturelle nocive ; celle diffusée par le ciel est aussi très intense, et sa part de rayons UV est même proportionnellement plus importante.
Dans une ampoule électrique, le passage du courant provoque l'échauffement d'un filament et le porte à incandescence. C'est pourquoi on appelle ce type d'ampoule lampe à incandescence.
Le spectre lumineux est continu et comporte toutes les radiations du spectre visible. L'émission de lumière se poursuit aussi dans l'infrarouge.
Les lampes à incandescence sont de deux types :
Les lampes au tungstène ordinaires : elles sont constituées d'une ampoule assez large en verre pleine d'un gaz inerte et d'un filament de tungstène en leur centre.
Porté à une température d'environ 2400-2800° C par le courant électrique, le filament émet un rayonnement lumineux. En s'échauffant, il perd de la matière par sublimation ; le tungstène rendu gazeux se refroidit au contact de l'enveloppe de verre et se dépose sur celle-ci ; le verre s'obscurcit, ce qui diminue le rendement lumineux de la lampe et modifie sa température de couleur (environ 2500 K).
Le spectre lumineux est très pauvre en rayons ultraviolets. Les longueurs d' onde visibles sont réparties de manière inégale, avec une nette prédominance de celles supérieures à 500 nm, et l' émission dans le domaine infrarouge est très importante.
Certaines lampes, dites " à miroir dichroïque " ou " à faisceau froid ", sont pourvues d'un réflecteur spécial qui limite le rayonnement infrarouge.
Les lampes halogènes fonctionnent selon le même principe : l'échauffement par le passage du courant électrique d'un filament de tungstène. Mais le filament supporte une température plus élevée grâce à l'adjonction d'un gaz halogène (brome, iode) au gaz inerte à l'intérieur de l'ampoule.
De plus, celle-ci est de forme plus étroite, ce qui favorise l'échauffement du filament.
Le mélange de gaz se combine au tungstène qui s'évapore par sublimation pour former un sel métallique appelé halogénure. La température de l'ampoule est telle que les halogénures ne se refroidissent pas suffisamment pour se déposer sur ses parois, de sorte qu'ils retournent au filament et le régénèrent. Ainsi le rendement de la lampe n'est pas diminué et la température de couleur reste constante pendant toute sa durée de vie (environ 3200 K).
Les lampes à halogène doivent fonctionner à une température globale de la lampe supérieure à 250°C. Leurs émissions dans le domaine des longueurs d'onde inférieures à 500 nm sont plus élevées que celles des ampoules à incandescence ordinaires. Or, La forte chaleur émise par le filament impose l'utilisation de verres de quartz, qui, contrairement au verre ordinaire, ne filtre pas les longueurs d'onde les plus courtes dans le domaine ultraviolet. Ainsi, le rayonnement ultraviolet de ces lampes peut atteindre 100 µW/lumen.
Le rayonnement infrarouge peut varier d'un type de lampe à l'autre, mais il est toujours important.
Complément : Les sources froides
Ce sont les lampes fluorescentes.
L'émission de la lumière n'y est pas provoquée par l'échauffement d'un corps, mais par l'excitation d'une poudre fluorescente. Cette excitation est engendrée par le rayonnement ultraviolet émis par une décharge électrique dans les vapeurs de mercure à basse pression se trouvant dans l'ampoule.
Ce sont des sources à spectre discontinu : l'émission spectrale n'est pas régulière, elle se fait par bandes de radiations et elle tend à se concentrer en quelques pics, ce qui donne une lumière plus ou moins froide.
Les bandes peuvent être plus ou moins larges, plus ou moins rapprochées.
Les sources fluorescentes n'ont pas de température de couleur propre par manque démission sur certaines parties du spectre lumineux visible.
Certaines sources sont assimilées à des sources à spectre continu : bien que discontinu, leur spectre est resserré et simule un spectre continu. Le flash électronique et certains tubes fluorescents dits " lumière du jour " sont de ce type.
Certaines lampes fluorescentes ont des émissions importantes dans le domaine ultraviolet, qui peuvent varier de 45 à 270 µW/lumen.
En conclusion, parmi les nombreuses sources d'éclairage, c'est la lumière naturelle qui est la plus nocive. Certaines lumières artificielles peuvent également occasionner des altérations importantes : certains tubes fluorescents qui émettent beaucoup de rayons ultra-violets sont plus dangereux que les lampes à filaments de tungstène qui n'en émettent pratiquement pas.
1.3.3. L'influence de la lumière sur la conservation
La lumière peut déclencher ou accélérer les réactions chimiques de dégradation de toutes les matières organiques ; les matières inorganiques, comme le verre ou le métal, sont beaucoup moins sensibles.
Les fréquences les plus courtes sont plus énergétiques et plus pénétrantes.
La nocivité de la lumière visible et des rayonnements ultraviolets et infrarouges est tributaire de la qualité du spectre et de la quantité totale de rayonnement reçue par l'objet.
Une comparaison des différentes sources de lumière nous montre que leur nocivité est très inégale.
Le tableau suivant attribue un facteur de dommage photochimique 100 à la lumière réfléchie par le ciel au zénith et évalue les autres sources de lumière par comparaison :
Source de lumière | Température de couleur | Facteur de détérioration |
Ciel zénithal à travers un vitrage | 11000 K | 100 |
Ciel couvert à travers un vitrage | 6400 K | 60 |
Ampoule ordinaire à incandescence | 2700 K | 10 |
Lampe halogène sans vitre de protection | 3100 K | 25 |
Lampe halogène avec vitre de protection | 3100 K | 15 |
Lampe fluorescente (blanc très chaud) | 2700 K | 1 |
Lampe fluorescente (blanc chaud) | 3000 K | 15 |
Lampe fluorescente (blanc) | 4000 K | 20 |
Lampe fluorescente (blanc froid) | 5000 K | 33 |
Ordre de grandeur de l'échauffement relatif produit par différentes sources de lumière pour un même éclairement et un même facteur d'absorption spectrale (d'après Andrea Giovannini).
L'action de la lumière peut s'exercer
soit directement (photolyse)
soit en combinaison avec d'autres substances comme, par exemple, la photo-oxydation avec l'oxygène de l'air.
Il faut tenir compte du fait que l'intensité du rayonnement aussi est déterminante: ainsi, une forte quantité d'un rayonnement peu nuisible (de par sa longueur d'onde) engendre également des dommages.
L'action de la lumière est encore plus nuisible lorsqu'elle s'exerce dans une atmosphère à haute humidité relative, en présence d' impuretés qui catalysent les réactions de dégradation ou de polluants atmosphériques dont l'action se combine avec celle de la lumière.
Il faut également considérer que souvent une quantité excessive de lumière provoque l'échauffement de l'objet, avec une accélération sensible des altérations chimiques: on estime que la vitesse de dégradation double si la température augmente de 8 degrés.
Les différentes sources de lumière ne provoquent pas un échauffement identique dans les mêmes conditions.