Au cœur de la matière : comment voyagent les ondes électromagnétiques ?

Le paradoxe de l’invisible : comprendre la propagation des ondes

Invisible, mais omniprésente, l’onde électromagnétique tisse un fil discret entre notre quotidien et les principes fondamentaux de la physique. Radios, Wi-Fi, lumière du soleil, IRM, micro-ondes : elles sont partout et, pourtant, la question de leur propagation reste largement opaque dans le débat public. Ce questionnement n’est pas anodin : ce qui traverse l’air n’a pas le même destin dans l’eau ou dans la pierre. Comprendre ces différences éclaire nos usages, mais révèle aussi nos limites – scientifiques, technologiques, voire philosophiques.

Aux origines : qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?

Redonnons un visage à cette abstraction. Une onde électromagnétique, c’est, en simplifiant, l’association oscillatoire de deux champs : l’un électrique, l’autre magnétique. Elle n’a pas besoin de support matériel pour se déplacer : le vide lui suffit (c’est la lumière du Soleil parvenant jusqu’à nos yeux, malgré 150 millions de kilomètres de vide intersidéral). Mais dès qu’elle rencontre de la matière, tout se complique.

• La lumière visible, comprise entre 400 et 800 TéraHertz (THz), nous permet de voir.
• Les micro-ondes, autour de 2,4 Gigahertz (GHz), transportent notre Wi-Fi.
• Les ondes radio, de quelques kilohertz à quelques mégahertz, traversent parfois… des continents.

Chacune de ces “familles” vit des interactions différentes avec l’air, l’eau ou les solides. Point de départ : leurs propriétés. Terminologie à garder en tête : fréquence, longueur d’onde, vitesse de propagation, absorption et réflexion.

L’air, un océan (presque) transparent

Dans l’air, la plupart des ondes électromagnétiques se comportent comme dans le vide — à quelques limites près. La lumière du soleil, par exemple, n’est ralentie que de moins de 0,03% lors de son passage de l’espace à l’atmosphère terrestre (source : NASA). Pourquoi ? L’air, essentiellement composé d’azote (78%) et d’oxygène (21%), n’oppose guère de résistance aux ondes tant que la fréquence reste en dehors de certains “pièges” énergétiques propres à chaque molécule.

• La radio passe (presque) partout : Les ondes longues (de 30 à 300 kHz) traversent les murs et la brume comme si de rien n’était. Voilà pourquoi la radio AM (ondes longues, dites “grandes ondes”) a longtemps permis d’informer des millions de personnes à travers la France rurale ou sous la mer (les sous-marins utilisent encore ce mode de communication pour rester connectés sous la surface).
• La lumière, absorbée sélectivement : À haute altitude, l’ultraviolet est largement filtré par l’ozone (source : Météo France), mais dans la “fenêtre optique” (400-700 nm), le passage est franc : nos yeux ont d’ailleurs évolué pour s’adapter à cette fenêtre.
• Les micro-ondes, stoppées par la pluie : À certaines fréquences (autour de 22 GHz), la vapeur d’eau absorbe fortement les signaux – problème majeur pour les satellites et radars météorologiques (source : CNES). C’est le “brouillard de l’atmosphère”.

Comprendre : pourquoi l’air n’arrête-t-il pas la lumière ?

Petit détour par la mécanique quantique : chaque molécule d’air n’absorbe la lumière que si la fréquence de l’onde correspond à un “palier d’énergie” précis. Hors de ce palier, l’onde file, presque indifférente. D’où la transparence relative de l’atmosphère sur une vaste gamme de fréquences.

L’eau, laboratoire des contrastes

Dans l’eau, le jeu change radicalement. Si le verre d’eau sur votre table laisse passer 99% de la lumière visible, il arrête quasi totalement les micro-ondes domestiques. Paradoxe ? Non, logique physique.

• Lumière visible : La lumière pénètre dans l’eau mais s’atténue vite : à 20 mètres de profondeur, 99 % du rouge a disparu. Seul le bleu “passe” : d’où la couleur des océans. Source : Ifremer, CNRS.
• Micro-ondes : L’eau absorbe très bien les micro-ondes, raison pour laquelle le four à micro-ondes chauffe les aliments en excitant les molécules d’eau. À 2,45 GHz (fréquence usuelle d’un micro-ondes domestique), les ondes pénètrent à peine quelques centimètres dans l’eau pure avant d’être totalement dissipées (source : European Microwave Association).
• Les radiofréquences basses : Sous la surface, la transmission radio devient vite impossible : à moins de 50 mètres, fini le GPS, le Wi-Fi et même la radio. Ce sont les très basses fréquences (VLF, Very Low Frequency, entre 3 kHz et 30 kHz) qui sont utilisées pour communiquer avec les sous-marins. Mais le débit reste minuscule (quelques bits par seconde, contre des gigabits à l’air libre).

“Dans l’eau, chaque centimètre compte : la portée des ondes s’effondre, forçant les ingénieurs à réinventer la connectivité en milieux extrêmes.” – Revue The Physics Teacher

Quels usages pour quelles propriétés ?

• Les plongeurs en mer utilisent des communications hertziennes ultrasonores, bien plus adaptées que les ondes radio ou micro-ondes.
• Les radars océaniques (LIDAR) exploitent la lumière verte ou bleue pour “voir” à travers l’eau jusqu’à quelques dizaines de mètres.
• Les recherches sur la transmission sous-marine (projets ANSSI, Ifremer) démontrent l’intérêt de nouvelles ondes hybrides à faible atténuation, mais à débit très limité.

Solides : des labyrinthes pour les ondes

Dans le béton, le bois ou l’acier, les ondes électromagnétiques découvrent un terrain bien plus incertain. Leur voyage n’est ni rectiligne, ni uniforme : la structure atomique, la permittivité et la conductivité des matériaux changent radicalement la donne.

• Les métaux, boucliers parfaits : À partir de quelques centimètres d’épaisseur, l’acier bloque totalement les ondes radio et micro-ondes. La “cage de Faraday” est devenue le symbole de ce blindage : impossible d’y téléphoner ou de capter le Wi-Fi (source : société Faraday).
• Le béton, filtre imparfait : Les murs d’immeuble affaiblissent les signaux. À 2,4 GHz (fréquence Wi-Fi), la perte atteint 10 à 20 décibels par mur, c’est-à-dire une division de puissance par 10 à 100 ! En bande 5 GHz, l’atténuation est encore plus marquée (source : ARCEP, rapport réseaux intérieurs 2023).
• Le bois, passoire relative : Les maisons en bois laissent passer une bonne partie des signaux, mais le taux d’humidité et la densité interviennent également.

Le phénomène de “réflexion/diffraction” transforme parfois la propagation en parcours d’obstacles : ondes réémises par les surfaces, multiples “rebonds” dans les pièces, formation de zones mortes (shadow zones) où plus rien ne passe.

Comprendre : la peau et la profondeur de pénétration

Plus la fréquence est élevée, moins l’onde “rentre profond” dans la matière. Cette limite, appelée “profondeur de pénétration” (ou “épaisseur de peau”), est critique dans les communications, mais aussi dans les techniques médicales (IRM, imagerie par résonance magnétique) ou industrielles (contrôle non destructif).

• Pour un mur de béton : à 2,4 GHz, la profondeur de pénétration tombe sous le centimètre.
• Pour l’aluminium : elle est de l’ordre du micromètre.
• Pour des fréquences basses (ondes longues), la pénétration augmente : c’est pourquoi les ondes radio peuvent encore être reçues en sous-sol, au moins partiellement.

Comment le vivant s’adapte-t-il ?

Ces lois de la physique ne sont pas sans conséquence sur le vivant. Les anisotropies de propagation ont modelé notre évolution : la peau filtre l’ultraviolet, l’organisme est quasiment transparent aux ondes radio. Récemment, des recherches ont montré que certains poissons d’eau profonde perçoivent des signaux électromagnétiques très faibles échappant à notre détection (source : Nature, 2021).

• Les animaux terrestres exploitent les fenêtres de transparence de l’atmosphère (voir “l’œil humain”, optimisé pour la lumière visible : PNAS, 2006).
• Les bactéries photosynthétiques vivent dans des zones où seul subsiste le rayonnement rouge profond, preuve que la sélection naturelle épouse elle aussi la physique de la propagation.

Pourquoi ces questions deviennent-elles d’actualité ?

A l’aune du développement technologique, la propagation des ondes joue un rôle croissant dans nos vies :

• Urbanisation : la densification du bâti multiplie les zones de « non-réception ». Les architectes et ingénieurs travaillent sur des matériaux innovants, laissant passer certaines fréquences tout en bloquant d’autres (INRS, 2022).
• Santé : les polémiques sur l’exposition aux ondes (téléphones, antennes) naissent en partie d’une incompréhension de leur propagation réelle, très différente dans l’air, en surface, ou à travers les tissus biologiques.
• Connectivité planétaire : les satellites, la 5G ou l’internet subaquatique imposent de nouveaux arbitrages entre portées, débits, profondeur de pénétration et “bruits de fond” invisibles.

“Les ondes traversent nos murs — et nos débats — avec une même discrétion.” – Collectif OndeClaire

Explorer plutôt que conclure : quelques pistes pour continuer la réflexion

Mais tout cela, que nous dit-il finalement sur nos sociétés ? La manière dont une onde franchit l’eau ou s’arrête devant du béton est un miroir discret de nos échanges, de nos innovations, mais aussi de nos peurs ou de notre imagination.

• Dans la question — jamais refermée — de l’accès à l’information pour tous, la propagation des ondes détermine qui peut “recevoir”, et qui reste “hors-champ”.
• L’adaptation du vivant à l’invisible nourrit autant la science que l’art (pensons aux méduses des abysses ou à la “synesthésie” de certains animaux marins, à la lisière du visible et du perceptible).
• La technologie du XXIe siècle bouscule l’équilibre ancien entre murs, eaux et airs. Faut-il penser la propagation comme un droit d’accès universel — ou comme un pouvoir à réguler ?

Sous l’onde, chaque frontière devient une zone de questionnement. Les lois de la physique, loin de refermer le débat, ouvrent à de nouveaux apprentissages. Ici, sur ce blog, nous continuerons à explorer chaque interstice, chaque nuance, entre science des ondes et société des usages — car, à l’image du physicien Richard Feynman : “Ce que nous ne comprenons pas, nous devons l’explorer — ensemble.”