Les aurores polaires sont de jolies manifestations lumineuses qui sont le plus souvent visibles à de hautes latitudes nord, dans le cas des aurores boréales, ou sud pour les aurores australes. Elles sont donc essentiellement visibles au niveau des pôles. Ce sont des draperies chatoyantes à caractère fantomatique qui prennent l'aspect d'une lumière phosphorescente. En général de couleur verte, elles forment de longs voiles lumineux.
Ces phénomènes lumineux se produisent dans la ionosphère terrestre, c'est à dire la couche supérieure de l'atmosphère (au-delà de 60 km d'altitude). Elle est caractérisée par la présence de particules chargées. Les aurores ne sont observables que la nuit étant donnée leur luminosité, certes supérieure à la Lune, mais inférieure à celle du Soleil. Elles se produisent essentiellement entre 100 km et 2000 km d'altitude et leur largeur est très variable. Dans certains cas, les aurores s'étalent sur plus de 4000 km représentant le périmètre du cercle polaire. Elles sont le résultat de l’interaction entre l'activité solaire et le magnétisme terrestre. Ainsi, leur durée, leurs formes et leurs couleurs varient en fonction de la nature et de la quantité de particules solaires atteignant l'atmosphère terrestre.
Néanmoins, toutes ces formes étranges formant arcs, bandes, raies, taches, ou encore couronnes n'ont pas toujours été une évidence aux yeux du monde. Effectivement, il n'y a que 70 ans que ce mystère est élucidé. Après de multiples théories évoquant notamment la relation avec le Soleil, c'est Olaf Birkeland qui a associé les aurores avec des courants électriques créés dans l'atmosphère par des particules solaires. Par la suite, les instruments de mesure par satellites ont permis de comprendre la relation de cause à effet entre les taches solaires et les aurores.
Les aurores polaires sont causées par l’activité du Soleil. En effet, les éruptions solaires sont la base des aurores. Celles-ci sont des éjections de masses solaires provenant généralement d’une brisure dans les protubérances solaires. Ces libérations d’énergie peuvent durer jusqu’à dix minutes et se propagent dans l’atmosphère solaire puis dans l’espace sous forme d’ondes électromagnétiques et de particules de matières très énergétiques comme des atomes ou des particules subatomiques (protons, électrons, ions). Les particules expulsées du Soleil, constituant le plasma, contiennent donc le champ magnétique solaire et se propagent dans l’espace interplanétaire: c’est le vent solaire.
Suivant les lois de l’électromagnétisme, ces particules chargées sont guidées par le champ magnétique interplanétaire et se déplacent en hélice le long de ses lignes de forces. Il faut environ quatre jours au vent solaire pour atteindre la Terre, mais cette durée peut varier. Effectivement, la vitesse et la densité de ce vent solaire varient en fonction des différentes zones actives du Soleil ainsi que du cycle solaire. Par exemple, tous les 11,2 ans en moyenne, le Soleil connaît un maximum solaire. Il est causé par une rotation inégale du Soleil : les pôles ne tournent pas à la même vitesse que l'équateur. Ainsi, lors des maxima solaires, de nombreux sursauts (manifestations radioélectriques des éruptions solaires) et taches solaires (zones plus froides où le champ magnétique est très intense) se forment entraînant une augmentation des rayonnements solaires. Ainsi, ces maxima engendrent un vent solaire ayant une vitesse et une densité plus élevée. Par conséquent, la fréquence d'apparition des aurores varie en fonction de l'activité solaire. Grâce à toutes ces données, nous sommes désormais capables de prévoir approximativement la création d'aurores sur Terre.
Etude du champ magnétique terrestre:
Après être arrivées aux abords de la Terre, les particules chargées (ions, protons..) du vent solaire vont rentrer en collision avec la magnétosphère qui constitue l'ensemble des lignes du champ magnétique terrestre. Celle-ci agit comme un bouclier nous protégeant des agressions du vent solaire.
Lors de la formation de la Terre, l'état de la matière était liquide. Le fer, étant plus lourd, a convergé vers le centre de la Terre. Il en résulta un noyau interne, en fer solide appelé la graine solide dont la rotation est contraire à celle du noyau externe, constitué de fer liquide. Cependant, l'énigme concernant le magnétisme terrestre reste toujours insoluble. Néanmoins, de multiples théories scientifiques se confrontent en évoquant chacunes, sous des points de vue différents, les mouvements de convection à l'intérieur du noyau. Bien que le champ magnétique de la Terre s'apparente à celui produit par un aimant droit, cette analogie ne permet pas d'expliquer son origine. En effet, aucun aimant permanent ne pourrait résister aux températures qui règnent dans le noyau terrestre.
L'hypothèse la plus probante suggère que la source du champ géomagnétique soit analogue à une dynamo. Le noyau externe est constamment en mouvement à cause de la rotation terrestre et de la convection. Cette convection est causée par le mouvement des éléments légers vers le haut, alors que les éléments plus lourds se condensent sur le noyau interne. La température est telle que les différents métaux vont entrer en fusion à l'approche du noyau interne et retrouveront leur forme initiale en s'éloignant. Ainsi, un va et vient incessant est créé dans le noyau externe. Les conditions nécessaires à l'apparition d'un champ magnétique sont remplies: le fer en fusion est un bon conducteur. On y trouve assez d'énergie pour entretenir la convection.
De plus, la polarité de « l'aimant » terrestre est due à un courant électrique continu qui se déplace d'un pôle sud vers un pôle nord. C'est à dire que la présence de particules chargées et en mouvement au centre de la Terre permet la création d'un courant électrique, et donc la formation de boucles magnétiques, constituant la magnétosphère.
En outre, nous sommes certains qu'autour de la Terre, une magnétosphère est formée par le champ magnétique. Elle a une forme de « beignet géant » appelée tore.
Afin d'en connaître la forme approximative et sachant que le champ magnétique de la Terre est identique à celui d'un aimant droit, nous avons réalisé cette expérience :
Un aimant droit est placé sous une plaque de plexiglas, saupoudrée de limaille de fer. Étant attirée par l'aimant, elle forme les lignes du champ magnétique. Les boussoles permettent de connaître le sens des lignes du champ magnétique.
Cependant, la vitesse et la charge du vent solaire au contact de la magnétosphère ont entraîné une déformation du tore :
Une fois arrivé aux abords de la Terre, le vent solaire va subir divers changements. Il atteint d'abord la magnétopause qui est la frontière entre la magnétosphère et le milieu interplanétaire. Une région de turbulence appelée magnétogaine sera créée suite au choc entre le vent solaire et cette frontière. Le plasma du vent solaire va être dévié et conduit par les lignes du champ magnétique. Les particules qui y sont présentes vont ensuite emprunter des chemins différents :
- La plupart proviennent de la queue de la magnétosphère qui s'étend très largement du côté nocturne de la Terre. Les particules ayant étaient happées par les lignes du champ magnétique, vont se loger dans les lobes ainsi que dans les feuillets de la queue. Dans le cas des aurores intenses, les lobes, gonflés de particules plasmatiques vont exercer une pression sur les feuillets. Les lignes vont donc se rencontrer et repousser les particules vers la Terre.
- D'autres vont transpercer la magnétosphère et se diriger vers les feuillets de plasma.
- Certaines seront éjectées dans l'espace.
Ces particules vont ensuite suivre les lignes du champ magnétique avec une trajectoire hélicoïdale afin d'arriver aux pôles. Ce qui explique la création fréquente d'aurores dans les régions polaires.
L'apparition des Aurores:
Lors de violentes tempêtes solaires, une grande quantité d'électrons, d’ions et de protons venant du soleil arrivent dans l'atmosphère terrestre et excitent les atomes d'oxygène, d’hydrogène et d'azote, lesquels deviennent subitement lumineux et produisent les voiles de lumière colorée que sont les aurores polaires. En effet, quelques-unes des particules du vent solaire sont capturées par le champ magnétique terrestre et accélèrent pendant le trajet, le long des lignes de champ magnétique. En route, elles accumulent de l'énergie et entrent en collision avec les différentes molécules de l’atmosphère.
Les atomes ont besoin d'être excités par l'électricité pour qu'une partie de leur énergie se transforme en lumière. Le vent solaire doit contenir assez d'énergie pour que ses électrons excitent ceux des atomes et des molécules après leur collision dans l’atmosphère terrestre.
On appelle excitation tout phénomène qui sort un système de son état de repos pour l'amener à un état d'énergie supérieure. Le système est alors dans un état excité.
Pour faire passer la matière d'un état fondamental à un état excité, plusieurs possibilités existent :
-l'absorption d'un photon d'énergie donnée.
-le passage d'un courant électrique.
-la collision avec d'autres particules.
Une particule se trouvant dans un état excité peut retrouver sa stabilité en émettant de façon spontanée un photon.
Prenons l'exemple de l'hydrogène (H) :
Chaque atome a un diagramme énergétique différent. L'état fondamental de l'hydrogène correspond à la plus basse énergie de l'atome, c'est à dire -13,6 eV. Pour trouver ses différents états excités, on utilise la formule suivante : En = Eo / n²
Ainsi E2 = -3,4 eV ; E3 = -1,51 eV …..
On peut donc déterminer l'énergie du photon : Ephoton = Esup – Einf
Si on prend l'état excité n°2 et qu'on cherche la couleur émise par le photon correspondant au passage de l'état 2 à l'état fondamentale, il faut tout d'abord trouver la longueur d'onde λ
Dans le spectre d'émission de l'atome d'hydrogène, on pourra observer une raie de longueur d'onde λ = (h x c) / Ephoton
Info : h est la constante de Planck (6,63 x 10^-34 J/s), c la vitesse de la lumière (3,00 x 10^8 m/s) et E le quantum d'énergie du photon en (J). (1eV = 1,60 x 10^-19 J)
On trouve 122 nm, or cette longueur d'onde fait partie du domaine de l'UV. Pour apercevoir une couleur, la longueur d'onde doit être comprise entre 400 et 800 nm. En passant de l'état excité 3 à l'état excité 2, le photon émis sera rouge. Ephoton = E3 – E2 = 1,89eV, d'où la raie rouge du spectre d'émission de l'hydrogène à λ = 658nm.
Les atomes peuvent aussi absorber des photons d'énergie E similaire à la différence d'énergie entre deux niveaux, permettant l'excitation de multiples atomes se trouvant dans l'atmosphère. C'est l'aurore!
Pour illustrer ce phénomène, nous avons effectué une expérience simulant la création d'une aurore à notre échelle. Sous une cloche à vide on place une sphère métallique contenant un aimant. Cette sphère symbolise la Terre et son champ magnétique. On ajoute ensuite une cathode , représentant le Soleil, et une anode placée sur la sphère.
En faisant le vide, les électrons pourraient voyager entre la cathode et l'anode. Au contact du champ magnétique, ces électrons émettront de la lumière modélisant ainsi une aurore. Faute de moyens et malgré de multiples essais, cette expérience n'a pas été concluante. En revanche, nous pouvons vous présenter les résultats attendus :
