Comment l'Expérimentation conduit-elle à Conjecturer les Aurores Polaires au sein du Système Solaire ?
Dernière mise à jour : 28 juin
« Plus belle qu'un arc-en-ciel, plus dynamique qu'un vol d'étourneaux, plus troublante qu'une nuit sans lune... L'Aurore Polaire » (Jean Lilenstein)
Tels sont les mots qu'emploie Jean Lilenstein (scientifique de renom dans le domaine) afin de relater de la magnificence des aurores polaires.
Introduction
Nous avons, par ailleurs, été confrontés à ce sublime phénomène, ici même, à La Réunion. En effet au cours de la nuit du 10 au 11 mai 2023, le ciel réunionnais s'est vu ornementé de splendides et flamboyantes aurores. Ce phénomène demeure néanmoins exceptionnel dans cette région du globe. Sa manifestation s'explique du fait du pic de l'activité solaire, qui a ainsi favorisé la formation d'une tempête solaire, cela a engendré l'amplification du phénomène lumineux des aurores polaires au sein de notre atmosphère, qui a d'ailleurs été perceptible sur une plus grande superficie qu'à l'accoutumé.
Nous chercherons donc, au cours de cette retranscription écrite de l'un de mes sujets pour le Grand Oral, comment l'expérimentation conduit-elle à conjecturer les aurores polaires au sein du système solaire ?
D'abord, je vous exposerai brièvement le phénomène des aurores polaires au sein de notre atmosphère. Puis, nous étudierons les expériences qui permettent leur étude. Enfin, nous verrons quelques autres illustrations au sein du système solaire.
I - Explication Brève & Générique
Le Soleil éjecte à chaque instant des jets de matière, il s'agit des vents solaires. Ceux-ci désignent plus précisément l'ensemble des flux de particules chargés (électrons et ions) émises par le Soleil. Lorsque les vents solaires nous parviennent (à une vitesse comprise entre 400 et 800 km/s) et rencontrent le champ électromagnétique terrestre, les particules qui le composent sont déviées vers la queue du champ électromagnétique, elles sont ensuite redirigées vers les cornets polaires par les mouvements convectiques du plasma qui se trouve dans cette région.
Les aurores polaires inspirent l'émerveillement, une des raisons à cela est la multiplicité des couleurs qu'elles revêtent au cours de leur déploiement ondulatoire. Nous allons donc nous intéresser aux facteurs responsables de cette somptueuse et resplendissante manifestation.
Lorsque les particules chargées en provenance du Soleil rencontrent la haute atmosphère, et il se produit alors des collisions avec les molécules qui constituent la haute atmosphère. Cela conduit à un transfert énergétique. En effet, l'énergie cinétique portée par les particules solaires qui nous parviennent se convertit en énergie interne qui est ensuite contenue par les molécules de la haute atmosphère. Le surplus d'énergie va par la suite être libéré par l'émission d'un photon, auquel est associé une longueur d'onde spécifique qui correspond à la couleur que l'on perçoit.
L'on a ainsi déterminé que la composition atmosphérique et l'altitude des collisions sont des facteurs majeurs quant à la teinte des aurores polaires dans la mesure où, d'abord, l'énergie libérée par le biais d'un photon correspond précisement à la différence d'énergie parmi 2 couches électroniques d'un des atomes des molécules concernées. Par ailleurs, l'énergie cinétique, déterminant ensuite l'énergie interne des molécules car il se produit un transfert, constitue un élément clef. Qui plus est, la quantité d'énergie cinétique varie en fonction de l'altitude à laquelle se réalisent les collisions car les particules sont accélérées au cours de leur entrée dans notre atmosphère. Ainsi, plus les collisions surviennent haut dans l'atmosphère, moins l'énergie cinétique déployée est importante.
De cela, nous parvenons à déduire les correspondances suivante concernant les couleurs des aurores polaires pouvant être observées dans l'atmosphère terrestre :
Bleu / Violet > Diazote (à 1000 km)
Vert > Oxygène (300 à 400 km)
Rouge > Oxygène (> 400 km) / Diazote (100 à 150 km)
(Brève Parenthèse : L'on distingue les aurores boréales qui se produisent dans l'hémisphère Nord des aurores australes qui surviennent, quant à elles, dans l'hémisphère Sud)
II - Expérimentation
Nous allons à présent étudier les expériences qui ont été élaborées au fil des siècles pour modéliser le phénomène mystérieux des aurores polaires.
A. Terrella de William Gilbert
D'abord, il eu la Terrella de William Gilbert (scientifique anglais) au XVIème qui avait pour objet d'étude la raison pour laquelle certaines boussoles n'indiquaient pas correctement le véritable nord. Il parvient finalement à distinguer le nord magnétique attaché à l'axe magnétique terrestre du "véritable nord" attaché, quant à lui, à l'axe de rotation de la Terre. En réalité, ceux-ci ne sont pas confondus, c'est pourquoi on parle de déclinaison magnétique, d'ailleurs estimée à 11,5°.
B. Terrella de Kristian Birkeland
300 ans plus tard, à la fin du XIXème siècle, l'expérience est reprise par Birkeland, un scientifique norvégien, qui cherche à étudier le champ électromagnétique et son intéraction avec un faisceau d'électrons. Il observe alors des lueurs se former à la surface de la Terrella qu'il a alors plaçée sous une cloche à vide. Il en déduit que le phénomène lumineux observé est analogue à celui des anneaux de Saturne. En réalité, il n'en est rien, son interprétation était enfaite erronnée.
C. Planeterrella de Jean Lilenstein
Plus d'un siècle plus tard, le dispositif expérimental est de nouveau repris et perfectionné par Jean Lilenstein et son équipe. Les améliorations apportées à l'expérience sons considérables. Pour commencer la qualité du vide qui règne sous la cloche à vide est nettement supérieure à la version antérieure. Par ailleurs, les scientifiques ont également considérés les mouvements des astres par l'élaboration d'un support mobile. L'on a ainsi la main sur de multiples paramètres tels que l'intensité du courant, les gaz introduits sous la cloche à vide et la pression qui y règne.
Par la variation des paramètres tout juste exposés, l'on peut par conséquent parvenir à la simulation relativement fidèle de diverses atmosphères.
III - Illustrations
A. Mars
C'est précisément par l'expérimentation menée que Jean Lilenstein et son équipe ont été amenés à supconner puis confirmer expérimentalement les aurores bleues que l'on trouve sur Mars.
La NASA, que Jean Lilenstein avait contacté afin de dévier une sonde et vérifer son hypothèse, a d'ailleurs souhaité se réclamer de la découverte. C'est en soumettant le dispositif expérimental de la Planeterrella à la communauté scientifique qu'il a pu prouver la paternité qui lui revenait de la récente découverte.
L'on a établit plutôt que les aurores polaires qui se surviennent dans notre atmosphère sont le résultat de la rencondtre des vents solaires et du champ électromagnétique terrestre. Alors, comment se fait-il que Mars, pourtant dénouée de champ électromagnétique, voit son atmosphère décorée d'aurores bleues ? Et bien, malgré le fait que le champ électromagnétique de la planète rouge se soit éfffondré il y a plusieurs milliards d'anées, elle n'est cependant pas étrangère au phénomène de l'électromagnétisme. En effet, ses sols contiennent en certaines régions une forte concentration en fer. Cet élément a la particularité de générer des champs magnétiques que l'on peut ainsi dénommer comme étant locaux (et non uniforme sur l'ensemble de la planète). C'est pourquoi l'on perçoit tout de même l'exceptionnel phénomène des aurores dans l'atmosphère de Mars, et ce particulièrement dans l'hémisphère Sud.
B. Jupiter
L'on trouve également des aurores polaires sur Jupiter qui, quant à elles, ne sont pas perceptibles dans la mesure où elles rayonnent dans l'UV (Ultra Violet).
Conclusion
En somme, les aurores polaires sont le produit de l'intéraction des vents solaires et du phénomène de l'électromagnétisme. L'expérimentation, qui consiste en la fluctuation de certains paramètres afin de modéliser des atmosphères représentatives, conduit à la formulation de conjectures et d'hypothèses qui sont ensuite vérifiées ou bien infirmées par l'observation instrumentale. Il résulte ainsi de ce processus une meilleure compréhension du phénomène des aurores polaires au sein de notre système solaire.
Support
Ce support contient quelques schématisations utiles quant à la compréhension de cette retranscription écrite d'un de mes sujets pour le Grand Oral.
Figure n°1 : Coupe méridienne du champ électromagnétique terrestre
Figure n°2 : Diagramme des niveaux d'énergie illustrant l'émission d'un photon
Figure n°3 : Représentation simplifiée du dispositif expérimental de la Planeterrella
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