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Thomas JANNAUD

Des actualités personnelles sous un style impersonnel, et inversement.



Aurores boréales
La physique derrière expliquée simplement. 03 Décembre 2011

Petit retour comme promis sur le voyage en Islande que l'on a fait il y a près d'un mois et où l'on a pu voir une aurore boréale. Nous voici donc dans ce qui doit être l'excursion la plus touristique en Islande puisqu'il y a de quoi remplir 3 cars contre 1 mini bus habituellement.

Pourquoi partir en car quelque part puisque le phénomène se situe dans le ciel ?
Bonne question. Petit point pour vous aiguiller, ce n'est pas notre générosité naturelle pour faire vivre le tourisme local dans le pays qui était le plus riche au monde par habitant il n'y a encore pas si longtemps.
Ce n'est pas non plus pour aider à renflouer les banques islandaises, qui ont été les premières à faire faillite en 2008, via une quelconque taxe sur le tourisme que nous le faisons. Nous avons nos propres taxes chez nous sur les stylo bics, sur les boissons gazeuses et sur les grilles de sudoku (rayez les 2 intrus) pour renflouer nos propres banques, c'est déjà assez comme ça.
Non, il faut tout simplement s'éloigner de la ville à cause de la lumière qu'elle émet dans le ciel. Pour s'éloigner d'une ville en Islande sans s'en rapprocher d'une autre ce n'est vraiment pas dur, il n'y en a qu'une sur tout l'île.

aurore polaire

Explication du phénomène

Quel phénomène physique intervient lors d'une aurore polaire (ou boréale) ?
Quand une particule (proton, électron, ...) frappe un atome (oxygène, hydrogène, ...), celle-ci communique une partie de son énergie à l'atome. Un peu comme si l'atome était une grosse éponge et que la particule arrivait dessus à grande vitesse puis rebondissait mollement et repartait moins vite. La différence de vitesse / d'énergie cinétique de la particule est ce que l'atome a gagné. Celui-ci possède alors une plus grande énergie : celle qu'il avait avant plus celle de la particule qu'il a en partie absorbée.

Après un gain d'énergie

Que se passe t'il quand un atome gagne de l'énergie ?
Plusieurs choses peuvent se passer. Soit il vibre plus, ce qui se traduit à notre échelle par une augmentation en température.
Un autre endroit où peut passer l'énergie est dans les électrons. Ceux-ci gravitent autour du noyau et occupent différents niveaux d'énergie. Ce dernier point est un peu plus compliqué que le reste. Pour simplifier disons qu'il y a 10 électrons qui tournent autour du noyau. L'électron numéro 1 va tourner tout près du noyau, le numéro 2 va tourner un peu plus loin, et ainsi de suite jusqu'au numéro 10 qui tourne le plus loin du noyau. Chaque niveau a sa propre énergie, ainsi si on a l'énergie qui correspond au niveau 3, on occupe la trajectoire de l'électron numéro 3. Il y a en fait beaucoup plus que 10 niveaux et si on donne assez d'énergie à un électron pour passer d'un niveau à un niveau supérieur, il peut y aller. Cependant la nature fait que l'atome cherche à minimiser son énergie. Au lieu d'occuper les niveau 1, 4, 8,12, 17, 23..., les électrons vont occuper les niveaux 1, 2, ..., 10. (Fig. 1)

Revenons à la particule qui frappe l'atome (Fig. 2). Elle lui communique un peu d'énergie et un des électrons va pouvoir la capter. Ainsi un des électrons va pouvoir passer d'un niveau à un autre, supérieur. Disons que c'est le 10ème électron, qui avait une énergie de 10. Il capte 2 d'énergie, il possède maintenant une énergie de 12. Il change alors de trajectoire et va sur la trajectoire numéro 12. On dit que l'électron est dans un état excité. Les électrons occupent maintenant les états 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12. Comme ce n'est pas une configuration stable pour l'atome, quasi-instantanément le 10ème électron va vouloir se désexciter pour repasser de l'état 12 à l'état 10, ce qui est une configuration stable pour l'atome.

La désexcitation

Pour se désexciter il est obligé de donner un peu d'énergie, car on n'a pas le droit d'avoir une énergie de 12 et être au niveau 10. Il y a alors un processus un peu compliqué qui fait que l'électron peut créer un photon (une particule de lumière), d'énergie 2. Ainsi 12 = 10 + 2, l'électron revient à son état d'énergie 10 et un photon d'énergie 2 vient d'être créé. (Fig. 3) C'est tous ces photons que l'on voit qui font cette aurore boréale !

changement d'énergie excitation d'un électron

Les couleurs

Ce qu'il y a de rigolo avec cela c'est que l'on peut apprendre beaucoup de choses sur cette haute atmosphère qui se situe à 100 kilomètres au dessus de nos têtes depuis la terre ferme. En ayant bien sûr quelques formules en tête !
Une chose que vous savez sans doute déjà, c'est que l'énergie et la couleur d'un photon sont liés. En fait il y a une formule qui lie la longueur d'onde de la lumière, sa fréquence, son énergie. Les lumières plutôt rouges ont une faible longueur d'onde et une grosse énergie. Les lumières qui tirent vers le violet sont de plus faible énergie. Ça ne veut pas dire que si je prends une lampe violette de 10 watts elle va avoir moins d'énergie qu'une lampe rouge de 10 watts. Ça veut juste dire qu'il faut plus d'énergie pour créer 1 photon rouge qu'1 photon violet et donc que s'il y a 10 watts de lumière rouge, il y a moins de photons que dans 10 watts de lumière violette. Enfin bon, passons. Retenons juste que si l'on connait la couleur de la lumière on peut savoir simplement quelle est la valeur de l'énergie de chacun des photos qui la compose. Si l'on voit une lumière rouge le photon va avoir une énergie de 5, si l'on voit une lumière violette le photon va avoir une énergie de 3.

Revenons sur ce que j'ai dit sur les niveaux d'énergie. J'ai oublié de préciser que chaque atome va avoir des niveaux d'énergie différents. Ce n'est pas 1, 2, 3, ... 10 pour tout le monde. Ça va peut être être 1,4,7,10,13,16... pour l'atome d'oxygène, 2,7,12,17,22... pour l'atome d'hydrogène.
Maintenant, si on voit un photon de couleur rouge, on sait qu'il a une énergie de 5. Comme il provient d'un électron qui est passé d'un niveau à un autre en libérant une énergie de 5, ça ne peut être que l'électron d'un atome d'hydrogène (regardez, les niveaux vont de 5 en 5 !). Si on voit un photon violet, c'est que l'énergie est 3, et que ça a été libéré par un atome d'oxygène (idem, de 3 en 3).
En regardant ces aurores boréales, on peut donc plus ou moins en déduire quelle est la composition de la haute atmosphère (combien de % d'azote, d'oxygène, ...). Ce procédé s'appelle la spectroscopie. Dans les aurores polaires, si l'on a de la chance, on peut observer du vert fluo et un peu de rose ce qui correspond à je ne sais plus trop quels atomes.

spectre de l'atome d'hydrogène

Zones d'ombres

Quelques zones d'ombres subsistent, tout ce que j'ai dit était simplifié pour pouvoir modéliser un processus et expliquer certaines choses. Déjà, vous vous doutez bien que les "vraies" valeurs des niveaux d'énergie ne sont pas des chiffres tout ronds comme 1, 2, 3... mais sont peut être 0.1428328712 ou 0.29184192822. En fait c'est mieux ainsi parce que si tous les niveaux étaient des nombres entiers, on ne pourrait pas savoir si un photon d'énergie 2 a été lâché par un atome d'azote ou de je ne sais quoi. Par contre si on voit un photon d'énergie 0.0012302337042839 on se doute bien qu'il n'y aura pas 50 possibilités quant à l'atome qui a pu produire un tel photon. C'est aussi pour cela qu'un atome peut avoir plusieurs raies lumineuses, comme l'atome d'hydrogène ci dessus.

Pour ce qui est du processus d'échange d'énergie entre la particule qui vient du soleil et l'atome, je l'ai expliqué par un "choc un peu mou sur une éponge qui absorbe à ce moment une partie de l'énergie de la particule". C'est sans doute bien plus complexe que cela. Idem pour la création du photon pour pouvoir revenir à un niveau d'énergie plus bas, comment se crée la matière à partir de l'énergie en trop ? Mystère.

Autre chose, j'ai dit qu'un atome cherchait à minimiser son énergie, ce qui était son état stable. Ainsi si l'atome a 10 électrons il vont être aux niveaux 1, 2, 3, ... 10. Mais pourquoi pas aux niveaux 1, 1, 1, 1, ..., 1 ? Ça minimiserait encore plus l'énergie, non ? Oui mais les lois de la physique, qui sont impénétrables, l'interdisent. En effet si 2 électrons sont au même niveau, alors ils ont la même "trajectoire" et ils sont de fait indistinguables. Un peu comme 2 jumeaux qui s'habilleraient pareil, on ne saurait plus qui est qui. Là encore c'est un point peu clair.

Parmi d'autres questions que je me pose, est ce que les photons émis sont comme autant de particules qui vont frapper d'autres atomes ? Ou sont ils trop petits comparés aux particules solaires (électrons, protons, ...) ? Si un électron d'un atome a besoin d'énergie dE pour passer d'un état non excité à un état excité, est ce qu'il y a des contraintes sur la valeur de l'énergie de la particule qui vient frapper l'atome pour rendre l'excitation possible ? (J'ai longtemps cru qu'il fallait que la particule ait exactement l'énergie dE mais ça me gênait de me dire qu'une énergie exacte est improbable.)

Si vous avez des questions sur ce que j'ai dit, ou des explications à fournir sur des processus que je n'ai pas compris, faies vous entendre ! Le forum est fait pour ça.

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