Comment expliquer les aurores boréales? GRAND ORAL PHYSIQUE-CHIMIE

« GRAND ORAL PHYSIQUE-CHIMIE Comment expliquer les aurores boréales ? 1-Intro Bonjour, je m’appelle Chloé Nasr, et mon rêve a toujours été de me rendre en Islande pour observer les aurores boréales.

Une aurore boréale est un magnifique phénomène lumineux coloré qui se produit régulièrement dans le ciel nocturne de l'hémisphère Nord..

Quiconque a vu un jour une aurore boréale en garde un souvenir impérissable.

Ces grandes draperies colorées (principalement vertes et rouges), tantôt figées, tantôt ondulantes et mouvantes, fascinent tant par leur beauté que par l’imaginaire qu’elles charrient.

J’ai donc cherché à comprendre comment ces merveilles se forment. Pour introduire les origines : Premièrement je me suis intéressé aux origines des recherches sur les aurores boréales.

Un physicien norvégien qui s’intéressait aux aurores boréales, Kristian Birkeland, fit une expérience en 1895.Il prit une sphère magnétisée qu’il nomma "terrella", la plaça dans une chambre à vide faite en verre.

Il bombarda cette terrella qui représente notre planète par un faisceau d’électrons et observa leur passage par la décharge que ces électrons produisaient dans l’air résiduel resté dans la chambre à vide.

La décharge suivait les lignes du champ magnétique En analysant le mouvement de ces électrons, et conclurent qu’ils étaient guidés par des lignes de champ magnétique, comme des perles sont enfilées sur un fil.

De son expérience avec la terrella, Birkeland avait deviné que l’aurore était causée par des électrons en provenance du Soleil, guidés par les lignes du champ magnétique vers les pôles terrestres.

Ces électrons produisaient alors une décharge, lorsqu’ils atteignaient la haute atmosphère.

En fait il s’avéra que tout était bien pensé sauf que le soleil n’était pas la source des électrons. Si l’on dresse un bilan de l’état des connaissances sur les aurores boréales à voilà ce que l’on sait :  Les aurores ne se répartissent pas de manière aléatoire sur Terre, mais se concentrent dans un ovale centré sur le pôle Nord magnétique.  Le phénomène semble indexé sur l’activité solaire.

On constate par ailleurs que plus l’activité du Soleil est importante, plus les aurores sont visibles bas en latitude (parfois jusqu’à l’équateur !). 2-Developpement Le Soleil : Comme l’avait compris Birkeland, les mécanismes à l’origine de la formation des aurores sont bien analogues à ceux conduisant aux décharges électriques dans les tubes à décharge.

Pour comprendre la formation des aurores polaires, il faut remonter à l’origine des particules chargées arrivant dans l’atmosphère : le Soleil. Celui-ci est découpé en plusieurs couches concentriques différenciées par leurs propriétés physiques. 1.

Le noyau : c’est le cœur du Soleil.

Sa température est d’environ 15 millions de Kelvins.

Il est le siège des réactions thermonucléaires (fusion de l’hydrogène) à l’origine de la luminosité du Soleil. 2.

La zone de radiation : située entre 0,25 et 0,7 rayon solaire elle correspond à une zone très dense et très chaude, dans laquelle les mouvements d’ensemble (convection) sont impossibles.

Les transferts de chaleur se font uniquement sous forme radiative, les photons émis dans le cœur par les réactions nucléaires étant absorbés et réémis un très grand nombre de fois avant de pouvoir atteindre la couche supérieure Un photon est une particule de lumière qui est essentiellement un faisceau d'ondes du rayonnement électromagnétique.

Les photons n'ont pas de charge, pas de masse au repos et se déplacent à la vitesse de la lumière.

L'énergie du photon dépend de sa fréquence (à quelle vitesse le champ électrique et le champ magnétique se déplacent).

Les photons sont émis par l'action de particules chargées, bien qu'ils puissent être émis par d'autres méthodes, notamment la désintégration radioactive. 3.

La zone convective : elle s’étend de 0,7 rayon solaire à la surface du Soleil.

Elle est séparée de la zone radiative par une couche de transition appelée tachocline, couche d’importance particulière dans la génération du champ magnétique solaire.

La température suffisamment basse de la zone de convection permet des transferts de chaleurs principalement sous forme convective, la température passant de quelques millions de Kelvins à environ 5 800 Kelvins.

(convection :emmène de la chaleur avec lui) 4.

La photosphère : zone superficielle du Soleil, la photosphère correspond à la zone d’émission des photons visibles depuis la Terre.

Sa température est d’environs 5 800 K et son spectre de rayonnement correspond globalement à celui d’un corps noir. 5.

La couronne solaire.

La zone située au-delà de la photosphère s’appelle l’atmosphère solaire.

Elle se termine par l’héliosphère dont l’étendue permet de définir les limites du système solaire.

Dans cette atmosphère solaire, la couche principale est la couronne solaire, zone de faible densité mais dans laquelle la température remonte à quelques millions de degrés, la rendant principalement visible dans le domaine UV. Outre les photons balayant tout le spectre électromagnétique, le Soleil repend aussi en permanence dans l’espace des particules chargées, protons et électrons.

Cette émission de particules a lieu selon un flux plus ou moins continu qui s’appelle vent solaire. On estime à environ 1014 kg la masse perdue par jour par le Soleil sous forme de vent solaire, ce qui correspond à environ 20% de la masse perdue par rayonnement. La vitesse moyenne du vent solaire électronique est d’environ 400 km/s, ce qui correspond à une énergie moyenne de 0,5 eV.

Or, la tension appliquée par Birkeland dans son expérience pour observer des émissions lumineuses était de l’ordre du kV. On comprend dès lors aisément que cette énergie est très insuffisante pour conduire à la formation d’aurores.

En fait, un électron du vent solaire qui pénétrerait directement dans l’atmosphère terrestre serait arrêté dans les premiers kilomètres sans produire aucune émission lumineuse visible. Pour pouvoir voir des aurores polaires, il faut donc qu’il y ait un (ou des) mécanisme(s) d’accélération qui permettent d’obtenir des énergies beaucoup plus élevées.

Ces mécanismes trouvent leur origine dans la magnétosphère Terrestre c’est-à-dire le champ magnétique terrestre. Le champ magnétique terrestre : A l’origine, a environ 3000 km en dessous nous, se trouve le noyau de la Terre.

Celui-ci est siège de fusion de fer, qui est un très fort conducteur électrique. Donc ceci se propage sur l’axe les pôles nord et sud afin de recouvrir toute la terre en forme de beaucoup d’ellipses. Le champ magnétique terrestre est en première approximation dipolaire.

Sa représentation ressemble alors à celui d’un aimant droit.

Seulement, ce champ est perturbé par le champ moyen du Soleil : il est comprimé du côté de celui-ci, et présente un allongement côté nuit, appelé « magnétoqueue ».

La zone d’influence de la magnétosphère terrestre est limitée par la magnétopause, celle-ci constituant un « arc.... »