La lumière a un rôle fondamental dans l'activité de la biosphère terrestre (ensemble des êtres vivants qui se développent sur terre). Elle permet le maintien d'une température ambiante et des réactions photochimiques telle la photosynthèse indispensable à la vie. Elle constitue une source énergétique (énergie solaire).

Arc en ciel. © Photo : Jean-Marie Allier

La lumière correspond aux radiations électromagnétiques visibles par l'oil humain, c'est-à-dire aux longueurs d'onde comprises entre 380 et 780 nm (nanomètres).

Sans la lumière, nous ne pouvons voir, mais la lumière n'est pas visible en elle-même. Elle ne l'est que grâce aux surfaces qui la réfléchissent.

Chaque source de lumière est caractérisée par son spectre d'émission, qui correspond aux différentes longueurs d'ondes dans lesquelles elle émet. Comme le montrent les expériences de Newton ou le phénomène de l'arc-en-ciel, une lumière blanche, qu'elle soit naturelle ou artificielle, est composée de plusieurs radiations colorées ayant chacune sa propre longueur d'onde.

La lumière naturelle, appelée aussi lumière du jour, correspond à l'éclairage direct ou indirect provenant du soleil. Cette lumière blanche possède un spectre complet et continu, c'est-à-dire qu'elle émet dans toutes les longueurs d'onde du spectre visible.

Sa richesse provient aussi de sa variabilité continue d'intensité, de direction et de teinte au fil des heures et des saisons. Outre les phénomènes liés aux mouvements de rotation de la terre, les modifications du spectre d'émission de la lumière du jour sont liées aux conditions atmosphériques et météorologiques, aux interactions avec les particules de l'atmosphère.

Ainsi, la couleur bleue du ciel est due à une forte réfraction des ondes courtes de la lumière solaire par les molécules gazeuses de l'atmosphère. En milieu de journée, quand le soleil est au zénith, les rayons lumineux traversent l'atmosphère verticalement. Le soleil au zénith semble presque blanc et le ciel apparaît d'autant plus bleu que l'air est pur. Quand le soleil est à l'horizon, les rayons ont un trajet plus long, la couche atmosphérique à traverser est plus grande : ce sont surtout les longueurs d'onde élevées qui sont réfractées, la couleur transmise est orangée. Enfin, quand il pleut ou par une atmosphère polluée, toutes les radiations sont diffractées de manière sensiblement égale, le ciel tend vers le blanc.

La température de couleur d'une source (exprimée en degrés Kelvin - symbole K) est le critère utilisé pour décrire objectivement les nuances de teintes des lumières blanches. Les températures de couleur élevées correspondent à des teintes froides. A l'inverse, les températures de couleur faibles correspondent à des teintes chaudes. Ainsi, la lumière émise directement par le soleil au zénith est de 5 800 K, tandis qu'au couchant et au levant, elle est de l'ordre de 3 300 K.

La lumière du jour, par sa richesse et son universalité, constitue notre lumière de référence. Elle nous donne des repères temporels et spatiaux et c'est grâce à elle que nous attribuons leurs couleurs aux objets.

Voir aussi :

http://www.crdp.ac-caen.fr/energies/Soleil.htm

http://physique.paris.iufm.fr/lumiere/propag.html

La lumière artificielle est l'éclairage qui est produit artificiellement à l'aide de lampes et de projecteurs.

La source de lumière artificielle n'est produite que lorsqu'on allume.

La lumière incandescente émet selon un spectre continu et possède de ce fait la capacité de restituer fidèlement les couleurs des objets. Avec la lumière du jour, elle constitue une référence dans la perception de notre environnement et pour notre vie quotidienne. Nous y sommes sans doute attachés car c'est une lumière chaude -celle du feu- qui se rapproche de celle du soleil.

De nombreuses autres sources artificielles sont désormais utilisées pour l'éclairage des espaces architecturaux et urbains, qui offrent une large palette d'intensités, de teintes et de couleurs et dont on améliore constamment les qualités et les performances. (cf. 2.4.2 : les utilisations des différentes sources en architecture)

Pour autant, aucune des sources de lumière artificielle, pour la grande majorité électriques, ne possède en elle-même la richesse de la lumière naturelle. En revanche, l'éclairage artificiel a pour avantage de pouvoir être maîtrisé, contrôlé, créé. La sélection des sources (de leur teinte, de leur intensité) et le mélange potentiel des couleurs, la composition des directions et faisceaux lumineux par le choix d'appareils adaptés (projecteurs...), ainsi que leur implantation, constituent la base de la création d'éclairages artificiels. Ce travail peut s'affranchir de l'espace existant (la lumière créant alors son propre espace comme sur un plateau de théâtre nu) ou, au contraire, épouser et mettre en valeur les lignes, les volumes et les matières de l'architecture dans laquelle la lumière prend corps.

L'alternance des jours et des nuits, le cycle des saisons sont les manifestations des relations entre le soleil et la terre.

La rotation de la terre sur elle-même autour de l'axe des pôles détermine la durée du jour ; la révolution de la terre autour du soleil détermine la durée de l'année avec des variations suivant les saisons. La division de l'année en saisons résulte de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de son orbite. C'est tantôt le pôle nord, tantôt le pôle sud qui est éclairé par le soleil, la durée du jour variant aux différents points du globe. Au solstice d'été (juin), l'hémisphère nord connaît les jours les plus longs, au solstice d'hiver (décembre), c'est l'hémisphère sud. Aux équinoxes (mars et septembre), le jour et la nuit ont la même durée en tout point du globe.

Le soleil se lève à l'Est et se couche à l'Ouest, en décrivant une courbe qui varie selon les saisons.

Course du soleil. © Croquis : Odile Besème

Voir aussi :

Cours (avec diagrammes) et exercices sur les mouvements du soleil et l'utilisation des outils de simulation de l'ensoleillement sur maquette : http://audience.cerma.archi.fr/cerma/pageweb/theorie/solaire/geometrie_solaire.html

La course du soleil est déterminante dans la conception architecturale. Selon les usages prévus, la localisation des pièces et le positionnement des ouvertures destinées à les éclairer doivent permettre d'utiliser les bienfaits du soleil ou, au contraire, de se préserver d'une chaleur excessive.

Ensoleillement été / hiver. © Croquis : Odile Besème

Le Sud est la direction où l'apport solaire est le plus important. En hiver, les rayons sont horizontaux et pénètrent profondément à l'intérieur. En été, ils sont plus proches de la verticale. Des surchauffes sont possibles en été et mi-saison, des éblouissements en hiver. Des protections solaires extérieures (brise-soleil, persiennes, ventelles, ...) sont indispensables en été, des protections intérieures contre l'éblouissement en hiver (rideaux, stores ...).

Le Nord est la direction où il n'y a pas de rayonnement solaire direct, donc pas de variation lumineuse ni d'apport thermique.

L'Est est la direction du lever du soleil : des protections solaires totales sont indispensables en été, les rayons solaires étant horizontaux ; l'ouest est celle du coucher du soleil : des protections solaires totales sont indispensables en été, les rayons solaires étant horizontaux et l'exposition au soleil durant jusqu'au coucher du soleil.

N.B : ces considérations concernent les bâtiments construits dans l'hémisphère nord. Dans l'hémisphère sud, c'est la façade nord qu'il faut protéger des rayons solaires directs...

Plusieurs outils permettent de simuler l'ensoleillement sur maquettes d'architecture à tout moment de l'année. Ils permettent de visualiser, pour une latitude donnée, la pénétration du soleil ou d'étudier les ombres portées suivant les saisons et les heures de la journée. Le modèle de l'héliodon, reproduit ici, fonctionne sur le principe d'un plateau tournant, placé face à une source de lumière artificielle simulant le soleil (projecteurs à faisceaux de lumière parallèles positionnés à une distance suffisamment grande du plateau). L'héliodon pivote selon trois axes. Le basculement du plateau (0° à 90°) sur lequel est posée la maquette permet de régler la latitude. Le pivotement du pied permet de choisir les mois. On fait varier les heures en faisant tourner le plateau sur lui-même.

Héliodon. © Croquis : Odile Besème

Voir aussi :

Le climat est l'ensemble des circonstances atmosphériques et météorologiques propres à une région du globe (définition du Petit Robert). Les précipitations, les températures, l'ensoleillement, l'humidité, la vitesse et la direction des vents..., sont des caractéristiques du climat, qui varient suivant les points du globe. Par rapport à ces caractéristiques, on distingue les différents climats suivants : le climat équatorial, méditerranéen, polaire, tropical, océanique, de montagne, désertique, continental.

La fonction première de l'architecture est la protection de l'homme contre les éléments naturels. Le climat est donc déterminant dans la construction de l'habitat. Il conditionne le mode de vie de l'homme : les ressources naturelles nécessaires à l'alimentation, l'architecture, les vêtements, le mobilier... L'architecture est caractérisée par la nature des matériaux disponibles et leurs mises en ouvre. La disponibilité et la nature des sols (présence de l'eau, de terrains cultivables...) influencent la localisation des habitations.

L'architecture bioclimatique, conçue en harmonie avec le climat, tire parti des ressources présentes dans la nature : le soleil, le vent, la végétation et la température ambiante.

La construction doit protéger l'habitant de la pluie et être, elle-même, à l'abri des eaux de ruissellement et des infiltrations. La fréquence et la durée des pluies déterminent la pente des toitures, le matériau de couverture, l'utilisation d'étanchéités plus ou moins performantes, la canalisation et le rejet des eaux pluviales ...

Cabane de gardian : la forme du bâtiment et son implantation sont adaptées au Mistral. © Croquis : Françoise Miller

Les constructions soumises à la neige doivent posséder des toitures plus solides.

Le taux d'humidité est pris en compte et influence l'ouverture des bâtiments : en région tropicale, par exemple, l'air étant chaud et humide, les bâtiments sont surélevées par rapport au sol, aérés, et profitent du moindre mouvement d'air pour rafraîchir l'habitation.

La protection contre le froid nécessite l'isolation des murs, la diminution des ouvertures et la localisation des pièces suivant l'orientation la plus favorable.

La protection contre la chaleur demande aussi une bonne isolation, une orientation favorable de la construction, une bonne localisation des ouvertures ainsi que l'emploi de protections solaires.

La direction et la vitesse des vents sont à prendre en compte. Ils peuvent améliorer le confort thermique par ventilation ou, au contraire, devenir des éléments contre lesquels il faut se prémunir. Ils sont déterminants dans l'orientation de la construction et l'organisation des espaces extérieurs.

Les éléments du relief : pentes, dénivelés, terrains plats... doivent être intégrés à la conception de la construction.

La végétation a un rôle important : suivant les climats elle peut protéger du soleil, humidifier l'air, laisser passer la lumière en hiver...

Le soleil est une source de chaleur qui peut être appréciée en hiver mais dont on doit se protéger en été, afin d'éviter le risque de surchauffe.

Les effets thermiques de l'ensoleillement dépendent de la totalité du spectre du rayonnement solaire (englobant les rayonnements infrarouge, visible et ultraviolet). Les effets lumineux ne dépendent, eux, que de la partie visible de ce spectre.

La lumière est synonyme de vie, mais sa dimension immatérielle, son caractère changeant, son invisibilité expliquent sa fascination sur l'homme.

La cathédrale gothique est une démonstration d'approche conceptuelle de la lumière dans l'architecture. La lumière diffuse qui pénètre à travers les vitraux, ses reflets dans l'édifice, sanctifient et embellissent la cathédrale. Le vitrail devient un filtre entre l'intérieur et l'extérieur, entre Dieu et les hommes. L'église, maison de Dieu, doit pouvoir manifester la magnificence divine. Pénétrée par la lumière, elle transfigure la beauté divine.

Sainte-Chapelle, Paris. © Photo : Odile Besème

Eglise Alter Peter, Munich. © Source : Wikipédia

Dans l'architecture baroque, la lumière vive qui entre par les portes et les fenêtres repousse les limites de la pierre. Les peintures et les stucs, les ors, les murs clairs, les miroirs font perdre la consistance physique à la pièce, les murs commencent à se dissiper et à devenir immatériels.

La problématique de la lumière, qu'elle soit naturelle ou artificielle, est associée à toute l'histoire des arts du XIXème jusqu'au XXème siècle.

L'invention de l'électricité à la fin du XIXème est un paradigme de la modernité pour de nombreux artistes, contemporains du peintre russe Kasimir Malevitch (1878-1935), fondateur du Suprématisme. Dans ses écrits, Malevitch s'enthousiasme pour un monde nouveau où  « la lumière métallique de la modernité ne correspond pas à la lumière de la chandelle en suif du temps de Rubens ou de Rembrandt ».