Voilà j'avais vraiment envi de mettre en ligne ce petit cours sur les lumières pôlaires . Libre aux administratrices de le supprimer si elles le veulent. Mais les cours sont faits pour apprendre et donc ce post rendre dans ce cadre. Le cours est un peu long. Néanmoins je l'ai réduit en enlevant les démonstration mathématiques et physiques pour ne garder que les explications générales!
Les Aurores Pôlaires
I)L’histoire et les Aurores pôlaires A)
Une première définitionLes aurores pôlaires sont principalement observables autour des pôles magnétiques terrestres . La meilleur description fut données par un poète américain Bayard Taylor en 1864 :
“ Un large rideau de lumière [s’abattit] tout droit jusqu’à ce que son ourlet frangé parût flotter à quelques mètres seulement de nos têtes . Il pendait à l’aplomb du zénith , paraissant franchir des millions de lieues dans sa chute à travers les airs , ses plis rassemblés au milieu des étoiles et ses broderies de flamme balayant la terre en baignant d’une pâle lueur irréelle la lande neigeuse ” .On appelle aurores
boréales les lumières observées au pôle
Nord et aurores
australes celles observées au pôle
Sud.
B)
CroyancesLe phénomène des lumières pôlaires fut observé empiriquement par certains indiens du Canada qui croyaient qu’il s’agissait là d’une colère ou autres manifestations divines .
Les scientifiques du XVIe siècle pensaient après avoir observé une aurore “ rouge sang ” le 5 octobre 1591 à Nuremberg qu’il s’agissait d’un incendie dans le ciel (
même si ce n’est pas le cas , nous verrons par la suite que ce n’est pas totalement faux ).
C)
Ceux qui s’y sont intéressés 1)Le philosophe grec Aristote pensait que l’air se changeait en feu liquide .
2)Mais C’est Galileo Galilei(1564-1642), dit Galilée, qui s’intéressa en profondeur à ce phénomème , car il chercait le moyen d’apercevoir quel niveau de l’atmosphère s’enflammé et pourquoi . C’est d’ailleurs lui qui va lui donner son nom d’
aurora borealis : ce nom vient d’
Aurora déesse romaine de l’aube et de
Borée dieu des vents pôlaires .
3)Puis les travaux de Halley(1656-1742) et Celsius(1701-1744) s’intéressèrent aux phénomèmes sans pour autant aboutir!
4)Enfin entre 1838-1840 une expédition scientifique en Norvège part étudier sur place cet étrange phénomème .
Mais tous n’arrivent qu’à la conclusion d’une enflammation de l’atmosphère .
5)Ce n’est qu’en 1902 que le phénomème sera réellement expliqué par le physicien suédois kristian Birkeland : il est le premier à avoir démontré que le phénomème des lumières pôlaires , expériences à l’appui , étaient liées au vent solaire et au magnétisme terrestre.
II)Une observation mathématique , une interprétation physique A)
Comment en a-t-on soupçonné la cause ? On s’est aperçu que les aurores pôlaires étaient orthogonales à la direction indiquée par une boussole et à leur mouvement , et donc que la force qui devait les engendrer devait faire intervenir un produit vectoriel . Mais par rapport à quoi ? Par rapport au champ géomagnétique et à leur mouvement .
C’est ainsi que l’on a pensé qu’il s’agissait de la force de Lorentz :
F = q
v/\
B (en gras les vecteurs et '/\' est le produit vectoriel)
Mais pourquoi n’a-t-on pas soupçonné cette cause avant ? Pour plusieurs raisons :
+ Une explication était déjà donnée
+ On n’a découvert le géomagnétisme qu’en 1839 (due à James Ross ).
Est-ce-que l’idée que le phénomème des lumières pôlaires soit liée aux géomagnétisme est justifiée ?
Oui , car le magnétisme terrestre existe parceque le noyau de la terre est liquide et contient un grand nombre de nétaux magnétiques (Fe ...) et qu’il y a des courants => on a alors un courant <=> un courant électrique d’où on a la force de Laplace
F= I
dl/\
B. Or nous savons qu’il y a équivalence entre la force de Lorentz et la force de Laplace.
B)
Définition 2Les aurores pôlaires sont des nappes de courant constituées d’électrons s’engouffrant dans le champ magnétique terrestre jusqu’aux pôles . Les aurores sont dûes à l’exitation et à l’ionisation des atomes de gaz constitutifs de l’
ionosphère par des flux de particules (électrons ou protons) de haute énergie qui traversent l’espace .C’est le
vent solaire qui génère ces grandes quantités de particules.
L’ionosphère : couche de l’atmosphère terrestre constituée principalement d’atomes à l’état ionisés . Cette partie de la thermosphère s’étend de 85 à 500 km au-dessus de la surface terrestre . Elle est capable de réfléchir certaines ondes hertziennes et permet leur réception dans des régions très éloignées .
C)
Pourquoi les observent-on principalement autour des pôles Cette explication est liée aux vents solaires =>
> Qu’est-ce ? Il s’agit d’un bombardement massif de particules subatomiques en rafales par le Soleil.
>Comment? La photosphère (surface visible du Soleil) possède des propriétés liées à l’électromagnétisme . Les régions les plus froides de la photosphère forment ce qu’on appelle les tâches solaires . Celles-ci sont produites lorsque les lignes du champ magnétique traversent la photosphère et refroidissent les gaz qui l’entourent . Les éruptions solaires sont dues aux effets magnétiques . Celles-ci ont lieu au-dessus des tâches quand l’énergie contenue dans les champs magnétiques est soudainement libérée . Cela -> la projection des particules chargées à des vitesses proches de celle de la lumière et libère un large spectre de radiations électromagnétiques . Ces particules chargées sont accélérées dans l’espace le long des lignes de champ magnétiques et si elles rencontrent le champ magnétique d’une autre planète elles peuvent y être piégées .
Vision graphique du phénomène : http://fxmaccobra.perso.cegetel.net/images/lumieres.jpg
III)C’est tout sur les aurores boréales? A)
L’électromagnétisme a besoin d’autres domaines En effet , c’est aurores australes sont colorées et ceci ne peut s’expliquer que par la rencontre des particules chargées du vent solaire avec l’ionosphère .
Les aurores pôlaires sont principalement rouge et verte (même si elle a parfois d’autres couleurs) .
Il faut savoir que lorsqu'un élément acquiert ou perd un électron , il faut fournir de l'énergie ou c'est la réaction qui produit de l'énergie. Dans le cas de l'ionisation, il a production d'énergie le plus souvent. Cela est normal car un atome est rarement stable et n'existe pas en général à l'état naturel. Il cherche à prendre la structure atomique du gaz noble le plus proche de lui dans le tableau des éléments.
Etudions ce qu'il ce passe avec l'atome d'oxygène:
Dans la ionosphère, l'élément O est présent sous forme de l'ion O
2-. Comment je l'ai fait remarquer , il faut fournir de l'énergie pour passer de O
2- à O.
Où cela nous mène-t-il?
Les particules portées par le vent solaire rencontrent les lignes de champs magnétique (ceintures de van Hallen). Les particules suivent ces lignes de champ pour arriver au niveau des pôles. Il s'agit de particules de hautes énergies. C'est elle qui vont fournir l'énergie pour la dé-ionisation de l'élément O.
Lors de ce changement , des photons sont émis. Cela se produit quant un électron change ou quitte une orbitale atomique (principe du LASER). Dans le cas de l'O, la perte des 2 électrons entraine l'émission de photons dont la longueur d'onde est le vert (comme on peut le voir sur les aurores pôlaires).
Par conséquent on peut dire que la couleur verte des aurores pôlaires est due à l’énergie d’ionisation de l’atome d’oxygène fournie par les particules du vent solaire .
Par un raisonnement analogue on démontrerait que la couleur rouge est donnée par l’atome d’azote .
Comment a-t-on su où se passé exactement le phénomène dans l’atmosphère? Grâce aux satellites Spoutnik-1 , Spoutnik-2 et d’Explore-1 .
Pourquoi est-ce le vert qui prédomine puisque l’atmosphère terrestre est composé de 78% d’azote et de 22% d’oxygène ? Parce que par définition l’ionosphère est constituée d’atomes sous forme ionisées . Or l’oxygène (d’après la classification périodique des éléments) est plus électronégatif que l’azote donc il est “ plus facile ” à l’oxygène de s’ioniser que l’azote et donc le pourcentage d’O
2- > à celui de N
3- . L'atome N est stable énergétiquement c'est d'ailleurs la raison pourquoi on le trouve tel quel dans la nature.
B)
Elles sont à l’origine d’une théorie d’un univers électromagnétiques Birkeland en examinant le phénomène des aurores boréales et en découvrant son origine magnétique pensa que l’univers ne pouvait pas s’être uniquement formé à partir de la seule force gravitationnelle comme on l’a pensé jusqu’alors puisque Fel/Fgravit = 1039 . Il imagina alors que l’univers devait comme les aurores boréales avoir une origine électromagnétique => développement de la physique des plasma .
C)
Aujourd’hui a-t-on décortiqué entièrement le phénomème ? Non . En effet on s’est aperçu , notamment au Québec en mars 1989 , que ces aurores généraient des champs électromagnétiques si puissants qu’ils peuvent faire craqueler la glace et même couper le courant dans les lignes à hautes tensions . Ainsi certaines villes canadiennes se sont vues privées d’électricité pendant plusieurs jours .
Conclusion Bien qu’observées depuis près d’un millénaires par différentes sociétés , l’origine du phénomène des aurores pôlaires n’a été expliqué qu’au XXe siècle . Mais aujourd’hui alors que les scientifiques ont résolu un problème empirique , ce phénomène dévoile d’autres mystères qui peut-être seront élucidés dans un millénaire .
