III) Les couleurs des aurores

    Nous savons que l'atmosphère est constituée de différentes couches.Celles-ci sont plus ou moins composées des mêmes gaz mais sous des états différents.Par exemple , entre 0 et 100 km l'azote présent est neutre alors que entre 100 et 200 km l'azote est ionisé. Ensuite les particules ionisées des vents solaires entrent en collision avec les atomes de l'atmosphère ce qui provoque une excitation des atomes qui émettent de l’énergie. Cette énergie est ensuite renvoyée sous forme photon, pour retrouver leur état fondamental.

 

   A) COULEUR DES AURORES POLAIRES.

         1) Explication     

    Le plasma qui arrive dans l'atmosphère terrestre entre en collision avec différentes molécules. Chacun des gaz atmosphériques va émettre une radiation lumineuse différente selon son état, neutre ou chargé, et aussi selon l'énergie de la particule qui la frappe. On compte environ trois couleurs de bases. La couleur jaune-verte, la plus éclatante et la plus fréquente, est émise par les atomes d'oxygène qui sont à environ 100 km d'altitude. Ceux qui sont plus hauts, au-delà de 300 km, émettent une lumière rouge foncée. Les molécules d'azote, qui sont neutres, à un bas niveau, produisent une lumière rouge pâle quand elles sont frappées par les électrons. L'azote de la haute atmosphère devient ionisé et émet du bleu et du violet. Ce sont justement les molécules d'azote qui produisent la bordure inférieure de l'aurore polaire dans les teintes de rouge-violet. Lorsque les atomes et molécules sont excités, ils doivent rester dans cet état un certain temps avant d’émettre de la lumière par retour à l'état initial, on parle de durée de vie à l'état excité, durant ce temps, il ne doit pas y avoir ni collision , ni nouvel apport d'énergie. Pour les raies vertes et rouges de l 'oxygène, qui sont les plus intenses dans une aurore, les durées de vie sont  respectivement de 0,9 et 110 s.

 
 
Les principales émissions dans le visible :
Azote molécule ( N) : 391,4 nm (violet) à 100 km d'altitude. Notons que cette émission  est peu visible car l ' oeil humain est peu sensible à cette longueur d'onde .
Oxygène atomique (O) : 557 nm (raie verte ) à 100 km  d'altitude. C est la sensibilité la plus visible par l’oeil humain
Oxygène moléculaire (O2 ) : dans l'ultra-violet.
Azote atomique (N)  : 520 nm à 250 km d'altitude.
NO et NO2 :  forment un fond continu peu intense dans le visible , émis vers 100km d' altitude 
En dehors du visible l'aurore  se manifeste aussi dans toutes les gammes de longueurs d' ondes  depuis  les rayons X jusqu'aux émissions radio.

       2) Étude spectrographique
 
            La plupart des aurores proviennent des chocs des électrons des vents solaires avec les molécules de l'atmosphère qui changent de niveau d’énergie et émettent un rayonnement lumineux. Cependant, il arrive que les aurores soient constituées surtout de protons plus lourds que les électrons, provoquant des phénomènes plus énergétiques avec de fortes émissions ultraviolettes. L'étude spectrographique de la lumière émise montre la présence de l'oxygène (raies vertes à 557 nm et de raies rouges à 630 et 636 nm) entre 120 et 180 km d'altitude, de l'hydrogène (656 nm) lors des aurores à protons. Aux plus basses latitudes, la couleur observée le plus fréquemment est le rouge (altitudes de 90 à 100 km).
 
 
 
    B) LES FORMES
 
 
        Les aurores boréales sont caractérisées selon différents critères, par exemple leurs conditions :
  • calmes (elles ne présentent que des changements lents de positions ou d'aspects), actives (lorsque sa position ou son aspect change rapidement)
  • pulsantes (lorsque sont observées des fluctuations de brillance assez rapides et souvent rythmiques dont la période est comprise entre une fraction de seconde et une minute). 

        Mais aussi, elles peuvent être qualifiées de : 

  • multiples, deux ou plusieurs formes de même espèce, grossièrement parallèles.
  • fragmentaires, fraction d'arc ou de bande.
  • en couronne, forme prenant l'aspect d'un éventail ou d'une couronne.
        Les aurores boréales ont chacune des structures différentes :
  • homogène : absence de structure et la brillance est uniforme ou change graduellement.
  • striée : fines stries ou filaments irréguliers (parallèles au bord inférieur de l'aurore). 
  • rayée : présence de rayons alignés suivant la direction des lignes de force du champ magnétique terrestre (les rayons ont des longueurs qui peuvent varier).
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 La forme initiale d'une aurore boréale est formée d'un long arc courbé. Lorsque les électrons s'excitent, l'aurore polaire prend une forme spécifique. Après leur durée d'apparition (environ 45 minutes), les aurores polaires reprennent leur forme initiale.Toutes ces formes permettent donc de répertorier les aurores boréales. La forme des aurores boréales varie en fonction de leur origine. Certaines proviennent  de l'excitation d'atomes et d'autres de molécules. Ainsi, les atomes forment des raies et les molécules de bandes. De plus chaque bande est constituée de plusieurs raies. Lorsque les atomes et molécules sont excités, ils doivent rester dans cet état un certain temps avant d’émettre de la lumière, par retour à l'état initial.

L'arc : C'est la forme la plus courante d'aurore polaire. L'arc adopte une forme régulière qui s'étend de part et d'autre de l'horizon. Il prend souvent forme autour d' un point fixe. 

La bande : La bande ressemble à un arc mais s'étend sur l'horizon par des rayons de lumière parallèles. Elle peut être calme ou mouvante et se déplace horizontalement. La bande est un phénomène fréquent lors d'activité solaire moyenne.

  

La couronne : Elle est définie par des faisceaux rejetés dans toutes les directions; la couronne a des mouvements et des variations très rapides, la forme est reliée à des périodes d’activité solaire élevée. 

     

Le voile : Le voile constitue un phénomène spectaculaire visuellement pour une aurore polaire car il est formé d'un ensemble de rayons uniformes recouvrant une zone. 

 

 

Le rideau : Les rayons couvrent une grande partie du ciel dans des vagues d’ondulations et de formes spirales, l’intensité de la lumière change souvent; c’est un modèle d’activité solaire forte.

 

Le pilier-rayon : Les piliers rayons sont des traits de lumière disposés de manière verticale et qui s'alignent. La longueur de ces rayons varie entre 70 et 150 km dans le ciel.

 

Le voile : le voile recouvre une vaste région de luminosité uniforme qui couvre la majeure partie du ciel ; modèle actif durant les périodes d'activité solaire élevée.

 

La tâche : La tâche représente un endroit faible en lumière et en ayant une très faible étendue. 


Toutes ces formes sont elles-mêmes classées en deux catégories :
  • Compacte : forme ayant l'aspect de bandes ou d'arcs, caractérisée par continuité de leur bord inférieur.
  • Diffuse : elle comporte des taches, des voiles, des rayons en faisceaux ou dispersés et des formes non identifiables.       

Et en fonction de leur brillance : 
  • faible, les formes ont l'aspect de bandes ou d'arcs dont l'intensité est comparable à la Voie Lactée. (niveau 1)
  • comparable au rayonnement lunaire. (niveau 2)
  • brillance maximale, semblable au rayonnement d'un tube luminescent au néon. (niveau 3).

 

 


        C) CALCULS EXPÉRIMENTAUX

 

    La couleur des aurores boréales dépend de plusieurs facteurs: l'espèce chimique de l'atome qui reçoit l'énergie des vents solaires, et l'énergie accumulée par les particules ionisantes.

Une couleur est caractérisée par sa longueur d’onde λ telle que :
 
 
E = h.c /λ
 
 
h= 6.62559 10-34 J.s  (constante de Planck)  et  c=3 108 m.s-1 (célérité de la lumière dans le vide)
 
Les particules des vents solaires arrivent dans l'atmosphère avec une énergie variant d'une centaine d'eV à une centaine de KeV.
En effet, plus vite ces particules se propagent, plus elles accumuleront d'énergie. 
 
De plus pour expliquer l'influence de l'espèce chimique sur la couleur, calculons l'énergie provenant de photons d'une aurore boréale.
 
Voici nos données:
L'eau, le dioxyde de carbone et le diazote ont des longueurs d'ondes appartenant au domaine des infrarouges (IR).
La longueur d'onde de l'oxygène à son état fondamental est d'environ 760 nm.
La longueur d'onde de l'ozone à son état fondamental est d'environ 600 nm.
 
Calculons l'énergie de photons provenant de plusieurs éléments chimiques différents revenant à leur état fondamental:
 
    
    L'Oxygène (O):
 
 
E = h.c / λ                                    h en J.s ; en m.s-1 ;  λ en m
        
E = ( 6.62559.10-34 x 3.00 .10) / 7.60.10-7
 

E = 2.60. 10-19 J

 
  
    L’Ozone (O3) :
 
E = h.c / λ                                   h en J.s ; en m.s-1 ;  λ en m
 
E = ( 6.62559.10-34 x 3.00 .10) / 6.00.10-7
 
E = 3.31.10-19 J
 
 
On voit bien ici que les photons issus de deux entités chimiques différentes, n'étant composé que du même atome, transportent une quantité d'énergie différente. Ainsi on peut expliquer la diversité des quantités d'énergie des photons issus des aurores boréales. On peut par conséquent expliquer la diversité des couleurs, et établir un rapport entre ces radiations lumineuses et l'espèce chimique des particules de l'atmosphère. Les atomes d'azote et d'oxygène, percutés par les particules solaires, gagnent de l'énergie qu'ils restituent aussitôt sous forme de lumière.


Voici le spectre de la lumière blanche : 

 
Voici des éléments chimiques générant le rayonnement des aurores boréales :
    
 
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