Aurores polaires et Physique Quantique

Etant en Suède depuis près d’un an, j’ai décidé de créer cet article sur un sujet spécifique des pôles : les aurores polaires. Comment se (...) Voir descriptif détaillé

Aurores polaires et Physique Quantique

Etant en Suède depuis près d’un an, j’ai décidé de créer cet article sur un sujet spécifique des pôles : les aurores polaires. Comment se (...) Voir descriptif détaillé

Pour traiter ce sujet, plusieurs points se doivent d’être développés, les plus ordonnés possibles pour que le raisonnement soit compréhensible. Nous les organiserons comme suit :

-  Comportement du Soleil : les vents solaires, de l’énergie dans l’espace.
-  La lumière, une onde parmi d’autres
-  Composition des atomes et réaction à l’énergie
-  Formation des aurores polaires

Des schémas et images sont joints dans les différentes parties, pour permettre une meilleure compréhension.

1. Comportement solaire

Le Soleil, comme toute étoile en activité, a un comportement variable. De ce fait, de par la fusion d’éléments présents, tels l’hydrogène et l’hélium, il n’est pas rare que se produisent des rejets de particules énergétiques dans l’espace. Ces rejets sont appelés vents solaires :

Activité solaire
Image de l’activité solaire à la surface, et notamment éjections de particules énergétiques

Il est également nécessaire de préciser que ces particules sont polarisées. En d’autres termes, elles sont sensibles aux champs magnétiques.

Ce sont ces mêmes vents solaires, qui, en envoyant de l’énergie à travers l’espace – et jusque sur Terre – vont être la cause des aurores polaires.

2. La lumière, une onde parmi d’autres

Qu’est-ce qu’une onde ?

Une onde peut être imaginée comme une vague qui se propage de façon périodique dans le temps et l’espace, et chacune est définie entre autres par l’énergie qu’elle « transporte ».

La lumière que nous connaissons, tout comme les rayons X, les sons et bien d’autres en font partie. Ces différentes ondes sont classées suivant la distance parcourue par l’onde au cours d’un période. Cette distance est appelée longueur d’onde.

Spectre des ondes
Un classement des ondes connues en fonction de leur longueur d’onde

Or, la longueur d’onde est directement liée à l’énergie que cette dernière transporte.
Par conséquent, une onde peut tout aussi bien être la lumière visible comme nous la connaissons, ou une onde radio. Cela dépend de l’énergie transportée.
En outre, la couleur visible (jaune, bleu, rouge, etc) sera différente selon la quantité d’énergie transportée.

3. Composition des atomes et réaction à l’énergie

Cette partie est probablement la plus difficile à visualiser, mais contient malgré tout toute la clé du problème. Nous avons tenté de la simplifier au mieux.

Chaque atome est composé d’un noyau, ainsi que d’électrons qui gravitent autour de celui-ci.
Chaque électron se déplace sur une orbite, à une distance du noyau qui lui est propre, mais peut cependant en changer pendant un court instant.
Ce changement, qui se fait vers la périphérie de l’atome, résulte d’une excitation, elle-même due à un apport d’énergie extérieur.
Ce même changement est un changement de distance par rapport au noyau.
On dira alors que l’électron change de couche.

Cependant, les couches en question ne sont pas définies au hasard, et ne sont accessibles que « grâce » à une quantité d’énergie particulière dans l’électron.
On peut alors repérer chaque couche en fonction de l’énergie nécessaire à un électron – en général, le plus proche du noyau – pour l’atteindre.
En effet, il est possible d’imaginer un atome ressemblant à une sorte d’oignon ayant plusieurs couches concentriques, sur lesquelles les électrons graviteraient.
Si l’un de ces électrons est excité – et suivant son type d’excitation – il changera donc de couche.

D’autre part, un électron excité est par définition instable.
Pour cette raison, il fera tout pour tenter de revenir sur sa couche d’origine.
Cela se traduit alors par une émission d’énergie, qui lui permettra de se « débarrasser » de l’énergie en trop qui le force à graviter sur une orbite qui n’est pas la sienne.
La quantité émise est alors très naturellement celle reçue lors de l’excitation.

Si l’on résume cette partie, on peut donc retenir que chaque atome est composé d’électrons gravitant autour d’un noyau, et ayant chacun une orbite particulière, elle même située sur une couche particulière.
Si l’un des électrons reçoit une quantité d’énergie précise – égale à la quantité nécessaire pour atteindre une des couches au dessus de la sienne – il changera de couche.
Enfin, après ce « mouvement », l’électron cherchera à revenir sur sa couche d’origine en se débarrassant de l’énergie en trop qu’il contient :

Schéma Atome
Les changements de couches électroniques illustrés sur un schéma d’exemple

Cette émission est donc ENERGETIQUE, et est donc caractéristique d’une onde !
En outre, si cette onde possède une longueur d’onde correspondant à de la lumière visible, on pourra percevoir une couleur à l’oeil nu.

D’autre part, il est également important de savoir que la quantité d’énergie qui caractérise chaque couche électronique d’un atome, varie suivant le type d’élément (oxygène, hélium, azote...etc).
Par exemple, la 2e couche du schéma ci-dessus a pour valeur énergétique 7,3eV, mais pourrait très bien être 9eV ou encore 5eV dans un autre atome !

Il en découle donc que la même quantité d’énergie reçue par 2 atomes différents (hydrogène et azote par exemple) ne produira pas la même réaction de la part des électrons, qui dans un cas émettront de l’énergie, alors que dans l’autre non.

Pour cette raison, une quantité d’énergie X pourra faire réagir les atomes d’hydrogène et produire une lumière d’une couleur (invisible à l’oeil nu), tandis qu’une quantité Y pourra faire réagir les atomes d’azote et donc produire une autre couleur (bleu ou rouge)...!

4. Formation des aurores polaires

Sachant tout cela, il est dès lors aisé d’expliquer la formation d’aurores polaires, et tout est résumé plus bas.

Un dernier élément est cependant nécessaire et permet de répondre à la question : pourquoi aux pôles ?
Notre planète, de par sa forme, sa rotation et bien d’autres caractéristiques, possède un champ magnétique. Celui-ci a pour effet d’attirer les particules polarisées à ses « extrémités » qui ne sont autres que les pôles.

Par conséquent, le mécanisme des aurores polaires peut être résumé comme suit :

-  Le Soleil, pendant son activité, émet des particules énergétiques ionisées (donc polarisées)
-  Ces particules atteignent la Terre et se dirigent vers les pôles à cause du champ magnétique de notre planète
-  En atteignant l’atmosphère, les particules transmettent certaines quantités d’énergies aux atomes présents
-  Cette énergie, suivant sa quantité, peut être absorbée par les électrons des atomes, qui s’excitent et changent de couche
-  Ces électrons excités reviennent à leur position d’origine en émettant à leur tour de l’énergie
-  Cette énergie forme une onde qui, suivant l’énergie qu’elle transporte, peut être visible à l’œil nu (lumière), et de différentes couleurs : ce sont les aurores polaires.

Aurores Polaires
Aurores polaires en panoramique !

Note : les aurores polaires est le nom général des aurores boréales (caractéristiques du Pôle Nord, en anglais « Northern Lights ») et des aurores australes (du Pôle Sud, en anglais « Southern Lights »).

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