confection de la maquette

ce qu'il reste à faire:
- le personnage playmobil et son dialogue
- le scotch double face
- papier assez rigide pour étiquettes dossier
- organisation des dossiers à l'intérieur des enveloppes
- scotch déménagement noir pour les enveloppes derrière
- imprimer les photos à mettre dans la fenêtre

Typhaine
hélène
justine

partie I plan

                                                     Partie I - plan

Plan

1   1)      Couleur en fonction des altitudes (tableau)

2   2)      Composition des Altitudes      (schéma)

3   3)      Expérience explication générale+ spécification pour ma partie (image)+ conclusion

4   4)      Calculs pour associer les gaz aux couleurs (tableau pour conclusion)

5   5)      Explication des rapports entre les atomes et l’altitude
          a) les atomes d'oxygene
          b) les atomes et les molecules d'azote
6)      Conclusion avec un tableau avec toutes les informations et une réponse à la question

7   7)      Passage à la partie 2

expérience

voici une vidéo qui filme une terrella qui marche

http://www.youtube.com/watch?v=e8AYGiCbPfo

http://isheyevo.ens-lyon.fr/eaae/groupspace/european-sun/workshops/an-polar-light-in-our-schools/plonearticle.2009-07-08.0685040545/

recherche de données sur la couleur des aurores boréales au cours du temps

http://astronomynorth.com/aurora-forecast/

informations sur les atomes de l'atmosphere

Colors of the aurora: The most common color is a pale yellowish green color at a very specific wavelength (557.7 nm). It is produced by atomic oxygen excited to the 1S state (singlet S state). The other common color is a red glow at 630.0 nm which is produced by oxygen excited to the 1D state (singlet D state). Sometimes the lower edges of aurora rays can be a bluish purple (427.8 nm) from molecular nitrogen in the 2P state. And if you see aurora near sunrise or sunset, the sunlight hits the tops of the auroral rays and ionizes the excited nitrogen to create a purple color. There are many other colors in the aurora but they are either too dim to see with the naked eye or they are outside the visible spectrum either in the infrared or ultraviolet (where the human eye can?t see them).

La couleur la plus commune est un vert-jaune pale pour une longueur d'onde de 557.7nm . Elle est produite par un atome d'oxygen excité au stade 1S (l'état S du singulet). L'autre couleur très commune est le rouge à 630.0nm qui est produite par un atome d'oxygène excité à l'état 1D ( du singulet). Parfois le bas des aurores boréales peut être bleu violet (427.8nm) ce qui provient d'un azote moléculaire à l'état 2P. si on voit une aurore proche du coucher ou du lever du soleil, les rayons du soleil frappent le haut des raies de l'aurore boréale et ionise l'azote excité pour créer du violet. Les autres couleurs des aurores boréales sont soit trop claires pour les voir à l'oeil nu ou se situent en dehors du domaine du visible dans l'ultraviolet ou l'infrarouge. 

http://helios.swpc.noaa.gov/ovation/documents/About_Aurora.html

oxygen emissions

green or brownish-red, depending on the amount of energy absorbed.

nitrogen emissions

blue or red; blue if the atom regains an electron after it has been ionized, red if returning to ground state from an excited state.

Oxygen is unusual in terms of its return to ground state: it can take three quarters of a second to emit green light and up to two minutes to emit red. Collisions with other atoms or molecules absorb the excitation energy and prevent emission. Because the very top of the atmosphere has a higher percentage of oxygen and is sparsely distributed such collisions are rare enough to allow time for oxygen to emit red. Collisions become more frequent progressing down into the atmosphere, so that red emissions do not have time to happen, and eventually even green light emissions are prevented.

This is why there is a color differential with altitude; at high altitude oxygen red dominates, then oxygen green and nitrogen blue/red, then finally nitrogen blue/red when collisions prevent oxygen from emitting anything. Green is the most common of all auroras. Behind it is pink, a mixture of light green and red, followed by pure red, yellow (a mixture of red and green), and lastly, pure blue

Emissions de l'oxygène: vert ou rouge-marron en fonction de la quantité d'énergie absorbée

émissions d'azote: bleu ou rouge: bleu si l'atome d'azote a regagné un électron après avoir été ionisé ou rouge s'il est passé d'un état excité à un état stable 

L'oxygène est inhabituel concernant son retour à l'état stable: cela peut prendre trois quarts de seconde pour émettre de la lumière verte et jusqu'à deux minutes pour émettre de la lumière rouge. Des collisions avec d'autres atomes ou molécules absorbent l'énergie produite lors de l'excitation de l'atome et empèche l'émission d'un photon et donc de lumière. Puisque la haute atmosphère contient un pourcentage plus important d'oxygène qui est faiblement distribué, les collisions avec les autres atomes ou molécules sont rares ce qui laisse le temps à l'atome d'oxygène d'émettre du rouge. Plus on descend dans l'atmosphère, plus les collisions sont fréquentes, ce qui signifie que les atomes d'oxygène n'ont pas le temps d'émettre de la lumière rouge et à force ces collisions empèchent même les émissions de vert.

C'est pourquoi les couleurs sont différentes en fonction de l'altitude: dans les hautes altitudes, l'oxygène rouge domine puis l'oxygène vert et l'azote bleu/rouge, et enfin l'azote bleu rouge quand les collisions empêchent des émissions de l'atome d'oxygène. Les aurores vertes sont les plus communes puis les roses, les mélanges de vert clair et de rouge, les rouges pures, jaune (un mélange de rouge et de vert) et enfin bleu pure.    

http://en.wikipedia.org/wiki/Aurora_(astronomy)

un autre site intéressant à regarder

http://aurorespolaires.e-monsite.com/pages/iii-visibilite-du-phenomene/b-couleurs.html

http://tpeauroreboreale31600.e-monsite.com/pages/content/ii-l-emission-de-lumiere/2-l-emission-de-lumiere-par-les-ions-et-les-atomes-de-la-ionosphere.html#page2



..

PARTI 1- La nature des atomes

atomes de l'atmosphère terrestre et précisions sur la couleur

voici quelques informations tirées du livre de Jean Lilensten sur la nature des atomes de l'atmosphère

voici un chapitre que j'ai trouvé dans le même livre sur la chimie atmosphérique qui peut peut-être être intéressant pour la partie de justine mais j'avoue que c'est un peu compliqué

 et finalement voici quelques précisions sur les couleurs des aurores boréales en fonction de la nature des atomes: 

"du bleu foncé, du pourpre, et du bleu émeraude pour l'ion azote moléculaire, du vert et du blanc pour la molécule d'azote, du jaune pour l'oxygène moléculaire, du vert et du rouge pour l'oxygène atomique ...."

http://cc.oulu.fi/~thu/Aurora/forecast.html
si vous avez besoin de données exactes, ce site est parfait!!

La maquette - matériel

Hélène 
Justine
Typhaine



Planche en bois
Boite de céréales
Voiles rouge vert jaune...
Fils de fer
Boite en plastique rond (salade carrefour)
Voiture pour enfant ou autre...
Poupée
Super glu
Peinture 

tissu feutrine vert
Feuille A3,A2 noir

pour trouver des donner sur l’attitude en fonction des couleurs et les couleurs en fonction de l'intensité solaire, j'ai trouver ici des contactes, il faudrait qu'on envoi un mail, et sinon recontacter Mr.Lichtensten.

http://www.asc-csa.gc.ca/fra/contact.asp

LE PLAN

                                                    PLAN

INTRO: Présentation très brève des aurores boréales + problématique + annonce du plan
Partie I- La nature des atomes
Partie II- L'intensité des vents solaires
(Partie *- la densité des atomes de la ionosphère)
Partie III- La pollution


PLAN DÉTAILLER

Partie I- La nature des atomes influe sur la couleur des aurores boréales
- plusieurs couleur: PK?
- on constate qu'à telle altitude y'a telle couleur (observation d'une laboratoire/observatoire d'une région où il y a des aurores boréales)
- quels atomes pour quelle altitude
- Serait-ce la nature de l’atome qui fait varier la couleur ?
- expérience soit la notre soit celle qu'on a trouvé c'est génial
- la nature des atomes influe sur la couleur des aurores
Pourquoi des couleurs plus rares que d'autres?

comme aurore boréale due aux vents solaires, lien avec son intensité et couleur?

Partie II- L'intensité des vents solaires

Observation d'un observatoire qui regarde en fonction des années quelles sont les couleurs.
Intensité du cycle du soleil détermine intensité des vents solaires.
expérience
intensité en soit ne change pas la couleur mais l'intensité de la couleur
Mais quelle influence a donc les vents solaires sur les couleurs et explique le changement des couleurs?
mais des études prouvent que les vents solaires vont descendre plus bas en fonction de l'intensité du vent solaire. Descendre plus bas dans les latitudes et altitudes mettre en rapport avec la partie I
Mettre en rapport les couleurs, intensités des vents solaires et cycles solaires par exemple on voit le rouge dans les années de forte intensité solaire.

étant donné que les couleurs des aurores boréales varient en fonction de la nature des atomes de l'altitude atteintes par les vents solaires, est ce que l'altitude

La bibliographie

Dans le texte, ne pas mettre le nom de l'oeuvre ou l'article, seulement l'auteur. D'après...
pour une citation, entre guillemets et avoir soit l'auteur, soit le nom de la source si on ne connait pas l'auteur (ex wikipedia) avec sa date.

La bibliographie:
ordre alphabétique du nom de l'auteur- conventionnellement 
Mais TPE parfois classé par support (internet, revue, livre, interview, musée...)

Ordre de notation pour un livre:
NOM de famille de l'auteur (et/& quand il y a jusqu'à 3 auteurs), Prénom. Titre. Mention d'édition (1ere, 2eme édition... pas tellement nécessaire), le nom de l'éditeur, l'année de publication. Nombre de pages (pas nécessaire). Titre de la collection. 
Cannat, Guillaume. Le ciel à l’œil nu en 2005. Nathan, 2004, 

pour les livres scientifiques: la date après l'auteur - façon moderne.

Pour les revues ou sites etc préciser ce que c'est exactement (pdf, article scientifique...)

Notation pour un article de magazine:
Dans un magazine, si on a pris plusieurs articles il faut les citer les uns après les autres. Quand il n'y a pas d'auteur, on note simplement le titre de l'article. 
NOM, Prénom. Titre de l'article. Titre du périodique, année de publication, numéro, pagination (première et dernière pages de l'article)
Jodra, Serge. Le voyage extraordinaire du soleil dans les étoiles. Ciel et espace, Octobre 2001, n°377, p. 58-63

Pour un doc sur internet
quand c'est un article, même chose avec le lien du site à la fin.  
Si ça n'est pas un article: Le nom de l'auteur en priorité,  le titre du document, le site [en ligne]. Nom de l'éditeur, de publication, date de mise a jour [date de consultation environ]. Disponible sur... /Accessible sur... Lien internet.

www.cndp.fr/savoirscdi.index.php?id=1035

Idéé pour rédiger

IDEE de rediger.

Intro Génerale

Les aurores boréales sont un des phénomènes naturels les plus impressionnants et les plus beaux. Les aurores boréales sont un phénomène lumineux observable dans le Nord, à des latitudes élevées. Les premières ont été mises en évidence autour de 593 avant J.-C. et c’est Galilée qui au XVIIème siècle aurait été le premier à utiliser le terme d’aurore boréale. Suite à cela de nombreux mythes sur l’origine de ces aurores ont été inventés, Les Inuits de l’Alaska notamment voyaient dans les aurores les âmes dansantes de leurs animaux favoris. Aujourd'hui, les instruments de mesures étant de plus en plus précis, la cause des aurores boréale a pu être mise en évidence.

I-             Les couleurs des aurores boréales sont dues à la collision des particules des vents solaires et des atomes de l'ionosphère terrestre.

Lorsque les vents solaires arrivent sur la terre, et atteignent la ionosphère terrestre les particules de ses vents entrent en collision avec les atomes de l'ionosphère c’est la que ce créé la les couleurs des aurores boréales, à plus de 100 km d'altitude.

Explication compo de l’atome

Un atome de l'ionosphère recevant l’énergie E pour faire passer un electron sur la couche supérieure de l’atome. L’atome est désormais instable, et lorsque l’électron redessend, le surplus d’énergie est rejeté sous forme de lumière.

On observe pourtant que les couleurs des aurores boréales sont différentes.

Étudions les différentes couleurs en fonction de l’altitude à laquelle se créent ces aurores boréales.

 […]

Il y a donc une relation entre la couleur des aurores boréales et l’altitude a laquelle elle ce crée.

Mais de quoi la ionosphère est elle faite à ces altitudes ?

[…]

Essai d'expérience     http://www.youtube.com/watch?v=9AXLpE3TTlY

Où faire l'expérience?

A la recherche d'un laboratoire:

Institut Notre Dame: email envoyé
Chatou: Pas le matériel nécessaire
Saint Erembert: 0139215830 - numéro de la responsable des premières Mme Phillip
Marly: rappeler au 0139171616 - mme Carel
Chatou Le Bon Sauveur: 0130159292 - a voire
Palais de la Découverte: ne répond pas
Fac de Sciences: à rappeler 01 69 33 60 00

L'Atmosphère Terrestre

L'atmosphère terrestre

La Troposphère ➔ 0-12 km

La où a lieu tous les changements climatiques
Les gaz colorés, à effet de serre, inertes, auront-eux une conséquence sur la perception des aurores boréales par l'homme? (Absorption lumineuse-loi de Kirchhoff, réfraction gazeuse-loi de Gladstone, aberration...)

La tropopause, qui délimite la Troposphère- période isotherme (température constante)

La Stratosphère ➔ 12-50km

Les avions: on choisit cette zone pour naviguer parce que cette couche est privée de turbulences, ses conditions atmosphériques sont constantes. En effet, les UV absorbés par la couche d'ozone expliquent l'augmentation de la température avec l'altitude dans la stratosphère, et cette hausse créé des conditions climatiques très stables. De plus il n'y a pas de nuages.

La Mésosphère ➔ 50-80km

Endroit le plus froid (jusqu'à -100°C), il protège la Terre des météorites

Nuages noctulescents

La Thermosphère ➔ 80-

• L'ionosphère : lieu des aurores boréales. L'air est devenu si peu dense et la pression tellement petite que le vent solaire arrive à accélérer les ions (d'où les aurores), et donc d'augmenter la température.

550km

• L'exosphère : les satellites 

Réchauffement climatique a lieu dans la Troposphère. Peut être décalerait-elle la courbe ci dessus mais jamais assez, parce que un grande partie de la chaleur revient à la Terre.

La couche d'ozone:

Nuages noctulescents: La mésosphère est tellement froide qu'elle transforme la vapeur d'eau en nuages glacés, que l'on peut voire quand le soleil est entre 4 et 16° en dessous de l'horizon.

Ne semble pas pouvoir avoir un effet sur les aurores. 

http://www.youtube.com/watch?v=xJHJsA7bYGc => la pression atmosphérique
http://www.weather-climate.org.uk/02.php => très bon résumé des couches
http://www.mrcc.uqam.ca/effet_serre/serre/composition.html => les gaz

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gaz#Gaz_et_optique => des termes à rechercher peut être
http://unvrso.hubpages.com/hub/What-Elements-Make-Up-the-Earths-Atmosphere => les gaz
http://www.atmosphere.mpg.de/enid/1__Conna_tre_la_stratosph_re/-_composition_215.html =>les couches

recherches

voici des recherches que j'avais faites:

les infos sont classées par catégories donc prenez ce que vous voulez!

Apparemment on peut pas mettre des dossiers sur le blog donc je suis obligée de faire du copier coller.

Formation des aurores

Vents solaires

Tout commence avec l’étoile la plus rapprochée de la terre : le soleil. Sa surface est tellement brûlante qu’il s’y forme un vent qui circule sans interruption. Ce vent solaire est assez puissant pour transporter avec lui des particules à travers le système solaire et bien au-delà

Le vent solaire voyagera entre 2 à 4 jours vers la terre, à des vitesses supersoniques entre 250 km/sec. à 1000 km/sec., en transportant de grandes quantités de particules qui sont calculées en proton/cm3.

Les vents rapides proviennent des régions situées près des pôles du soleil. Les vents plus lents émergent des régions équatoriales du soleil.  

La vitesse et la densité du vent solaire a un impact important sur les aurores polaires de la terre. Tout d’abord attiré par les pôles magnétiques terrestres, le vent solaire prend ces directions. Si le vent solaire est calme, les aurores vont se produire seulement près des pôles magnétiques, en haute latitude. Si la vitesse du vent solaire augmente de façon significative, les aurores vont s’amplifier, se déplacer et éclairer les latitudes moyennes et basses. Ce sera alors le phénomène de l’ovale auroral qui réagira et qui déterminera sa présence dans le ciel terrestre.

La température de l'atmosphère solaire est de plusieurs millions de degrés Kelvin (Température °C = Température °K - 273,15). À ces températures, les collisions entre les particules sont si violentes que les atomes d'hydrogène se décomposent en électrons et en protons. Ce "matériel" ionisé est appelé plasma. Le vent solaire, c'est lorsque ce plasma s'éloigne du soleil dans toutes les directions. Il transporte le champ magnétique solaire dans l'espace interplanétaire. La vitesse et la densité de ce vent solaire varie beaucoup; celles-ci sont plus grandes quand le vent provient des régions actives du soleil, comme les taches ou les protubérances solaires.

4 –PROTUBÉRANCE ET FILAMENT

Sur le soleil, les protubérances et filaments sont des poches de plasma denses et froides dans la couronne solaire. Ces gaz, essentiellement de l’hydrogène, sortent de la surface sous forme de colonnes qui s’éloignent de la surface du soleil.  

C’est le champ magnétique intense qui soulève la matière dense des protubérances, qui peuvent s’élever à des altitudes de plusieurs centaines de kilomètres. L’agitation et l’énergie causées forment un vent solaire dans l’espace et assez puissant pour y transporter des particules solaires. 

La vitesse moyenne du vent solaire est d’environ 250 à 300 km/sec. 

Sa densité est d’environ 1 à 3 protons cm³.

5 –TROUS CORONAUX

Sur le soleil, des trous coronaux apparaissent dans les secteurs foncés du soleil situés au niveau de l’équateur au-dessus de régions actives. On peut en voir de 1 à 3 reprises par mois. Ce sont des régions isolées et plus froides, du matériel fluide solaire s’échappe sans cesse par des brèches, par un souffle doux comme une rafale. 

Son voyage dans l’espace se fait graduellement, la vitesse du vent solaire passera à 400 à 600 km/sec. et sa densité pourra atteindre 20 à 40 protons cm³. Le voyage va durer 4 à 5 jours pour atteindre la terre.  

Ces trous coronaux donnent assurément de belles aurores polaires pour les latitudes moyennes et possiblement pour les latitudes basses. Ces trous coronaux envoient des quantités suffisantes de particules solaires, pour offrir de grandes aurores polaires dans les latitudes hautes et moyennes et une possibilité pour les basses latitudes. 

Soleil

6 – TACHE SOLAIRE SOLAIRE ET ÉRUPTION SOLAIRES

Les taches solaires est le nom donné à une zone de la photosphère du soleil dont la température est inférieure à celle de son environnement. Les taches solaires apparaissent de ce fait sous la forme de régions sombres.  

Le refroidissement qui provoque la tache est dû à la présence d’un puissant champ magnétique centré sur elle. Elle se trouve isolée de son voisinage avec lequel elle n’a plus d’échange thermique. Une chute de température en regard avec son environnement fait qu’elle apparaît plus sombre. Les taches solaires se produisent parfois de manière isolée ou apparaissent souvent en groupe. 

Les éruptions solaires sont des explosion sur le soleil , produit quand l’énergie stockée au-dessus des taches solaires est soudainement libérée puis une grande et rapide masse de plasma est envoyée dans l’espace. Des milliards de tonnes de matériel voyageront à des vitesses incroyables, transportées par le vent solaire. 

Sa vitesse augmentera à 800 à 1200 km/sec. et sa densité pourra atteindre la centaine de  Protons cm³. Une arrivée sur la terre sera prévue dans les 2 à 3 jours. Ces éruptions solaires sont appelées CME (éjection de masse coronale). 

Les taches solaires sont des pièces rapportées créées par le champ magnétique sur la surface du soleil. Les taches solaires sont des indications visuelles du processus qui envoie des particules chargées dans l’espace (particule = gaz, plasma, électron, proton). Ces particules solaires seront capturées par les pôles magnétiques de la terre et vont créer ainsi les aurores polaires dans les moyennes latitudes et enfin assurément dans les basses latitudes.

Les classes d`éruptions solaire sont classées par ordre d’importance et de puissance (classées selon les rayons X et gamme de longueur d’onde).

Les éruptions de classe A  B  C sont petites et avec peu de conséquence.

Les éruptions de classe M sont moyennes et donnent un rayonnement mineur.

Les éruptions de classe X sont très importantes et spectaculaires

Ces éruptions peuvent avoir une envergure plus ou moins grande, les plus grandes d’entre elles s’appelant protubérances et pouvant mesurer un million de kilomètres.

Ce plasma ou vent solaire est électriquement neutre, formé de particules chargées positivement et négativement. Ce flux d’ions se déplace à une vitesse de un à trois millions de kilomètres par heure.

11 – LE MINIMUM ET LE MAXIMUM SOLAIRE

Le soleil est la source des aurores polaires. D’étonnantes statistiques révèlent un cycle de 11 ans, où le soleil connaît une activité minimale et maximale. Le tout joue un rôle important pour les observations des aurores polaires. L’activité solaire présente un pic d’activités révélé par l’apparition d’un plus grand nombre de taches noires appelées tache solaire, particulièrement génératrices de vent solaire. Durant ce maximum solaire, les régions actives sur le soleil sont grosses et produisent des éruptions solaires nombreuses et importantes.

Champ magnétique

Les pôles magnétiques de la terre sont de puissants aimants.  Les pôles magnétiques du nord et du sud jouent un rôle déterminant qui attire les particules du soleil, tout comme la magnétosphère aussi appelée champ magnétique. Il agit comme un bouclier protecteur pour arrêter les puissants vents solaires qui souffleraient l’atmosphère terrestre. Les particules solaires, qui sont des protons, électrons et ions, ainsi ralenties parviendront à contourner et à revenir vers la terre, en y trouvant des brèches dans le champ magnétique. Les particules solaires, réchauffées et excitées, pénètrent dans l’atmosphère pour accomplir une grande destiné

Quelques-unes des particules du vent solaire sont capturées par le champ magnétique terrestre et accélèrent pendant le trajet vers le bas, le long des lignes de champ magnétique jusque vers l'ovale des aurores. En route, elles accumulent de l'énergie qui, lorsqu'elles entrent dans l'atmosphère, et font collision avec l'oxygène et l'azote, se transforme en lumière. C'est l'aurore!

Ce champ magnétique est principalement créé par des courants de roches situés à la périphérie du noyau de la Terre.

En plus du champ magnétique principal, il y a de temps à autres des changements brusques appelés orages magnétiques ou tempêtes magnétiques. Ceux-ci sont la manifestation de l’arrivée dans la magnétosphère de particules solaires chargées de magnétisme solaire. Lorsque celui-ci change brusquement, par exemple lors de protubérances à la surface solaire, le magnétisme contenu dans ces particules change constamment ce qui a pour effet de perturber les lignes de champ terrestres.

Les lignes de champ magnétique terrestre ne sont pas uniformes et régulières suivant la position que l’on a par rapport au soleil. Ainsi, les lignes de champ se situant sur la face de la Terre exposée au soleil sont comprimées contre la Terre. L’épaisseur de ces lignes de champ est de l’ordre de dix à quinze rayons terrestres. Inversement, les lignes de champ de la face non exposée au soleil sont étirées en une longue queue de six millions de kilomètres environ.

8 LE CHAMPS MAGNÉTIQUE ET LE BZ

La magnétosphère est un bouclier naturel et très efficace car elle protège la terre des arrivages des particules solaires qui se dirigent vers elle. La magnétosphère ou champ magnétique commence à protéger la terre aussi loin que 65000 km ou 3 minutes dans l’espace et fait dévier le vent solaire. Le champ magnétique s’apparente à une grosse bulle protectrice, protégeant notre atmosphère terrestre. Suite à de grands et puissants impacts du vent solaire avec la magnétosphère, de grandes quantités de particules solaires seront destinées à rentrer sur la terre, elles contourneront la terre et reviendront lentement par l’arrière pour suivre les lignes des champs magnétiques du nord et du sud.

L’énergie accumulée formera l’ovale auroral qui se transformera en lumière polaire. Le champ magnétique a une orientation sud ou nord et identifié par les termes bz et bt. Le bz négatif ouvre des portes d’entrée à travers lesquelles l’énergie du vent solaire peut pénétrer. Le bz positif a un effet contraire et rend à la magnétosphère son rôle de bouclier. Des sites de météo spatiale en temps réel nous indiquent le comportement du champ magnétique et de son bz.

18. LES PÔLES MAGNÉTIQUES

Les pôles nord et sud sont géographiques et des poteaux fixes de données de mesures, mais pour les aurores polaires, les pôles magnétiques sont des références statistiques et scientifiques.

Le pôle magnétique du nord dérive lentement à travers l’arctique canadien et erre quotidiennement quand le champ magnétique est dérangé. Il peut se déplacer, soit lentement ou rapidement. Le soleil émet constamment des particules chargées de courant électrique qui se frayent des passages à travers les champs magnétiques de la Terre et bouleversent cette dernière. Les champs magnétiques de la Terre sont formés approximativement comme celui d’une barre aimantée et comme aimant.

Il y a 2 pôles magnétiques, un dans l’arctique canadien (pôle nord) et du côté de l’antarctique (pôle sud). Le pôle magnétique du nord est la destination certaine pour un voyageur qui suit l’aiguille de sa boussole. Le pôle du nord magnétique dérive lentement à travers l’arctique canadien et il est établi qu’il se déplace environ au nord-ouest à 40 km par an et pourrait atteindre la Sibérie dans environ 50 ans

Atmosphère

Les particules solaires heurtent les atomes d’oxygène et d’azote dans la couche supérieure de l’atmosphère (ionosphère), lesquelles deviennent subitement lumineuses. Ce sont donc des collisions chimiques qui causeront les couleurs aurorales.

Les principales couleurs de l’aurore polaire sont le vert, le rouge et le bleu qui se distinguent à travers une multitude de formes.

Les aurores polaires se produiront à des altitudes de 90 km et au-delà de 1000 km, mais les états d’excitation sont éphémères et ne peuvent durer que quelques secondes,

l’atmosphère et haute atmosphère, de 90 km à 1000 km. La plupart des aurores polaires dans la zone aurorale se retrouvent entre 90 et 150 km. L’altitude moyenne est entre 100 et 120 km. Certains rayons verticaux rouges peuvent atteindre bien au-dessus de 500 km,

3) L’ionosphère terrestre

L’ionosphère terrestre est une couche superficielle de l’atmosphère nous protégeant en partie du bombardement incessant de particules venues de l’espace. L’ionosphère est composée surtout d’ions, mais aussi de quelques atomes d’oxygène et d’azote. Elle est peu dense car elle se trouve éloigné de la Terre et la pression que subissent les gaz qui la constituent est faible.

4) Arrivée du plasma dans l’atmosphère terrestre

Le vent solaire éjecté par le soleil dans toutes les directions finit par arriver au niveau de la Terre. A environ 65000 kilomètres de le Terre, les particules solaires sont stoppées par ce que l’on appelle magnétopause, c’est-à-dire l’extrémité de la magnétosphère. En fait, ces particules ne sont pas stoppées mais sont déviées et sont amenées à suivre le contour de la magnétopause. Se retrouvant dans la queue de la magnétosphère, les protons et les électrons constituant le vent solaire suivent ensuite des trajectoires les ramenant vers la Terre. Les électrons ont seuls, pour la réalisation d’aurores, de l’importance et nous ne nous inquiéterons plus du sort des protons.

Ces trajectoires sont symétriques par rapport au plan de l’équateur et mènent aux régions polaires. Ces afflux d’électrons entrant dans la magnétosphère et l’ionosphère terrestre sont appelés courants de Birkeland. Leur symétrie explique le fait que les aurores boréales et australes se présentent comme des images inversées.

Arrivés à environ 10000 kilomètres d’altitude au dessus des régions polaires, certains de ces courants sont entraînés dans un profond précipice électromagnétique. Au fur et à mesure que ces électrons descendent, ils sont accélérés sous l’effet du champ magnétique. Ces électrons seront les seuls à avoir une vitesse assez grande pour pénétrer dans l’atmosphère.

Lorsqu’ils arrivent dans l’ionosphère, les électrons rencontrent les premières particules depuis leurs départ du soleil. Celles-ci sont en fait des atomes d’oxygène et d’azote. Durant leurs traversée de l’ionosphère, certains d’entre eux vont heurter ces atomes et transmettre leur énergie cinétique aux atomes cibles : ces atomes sont alors dits " excités ".

Lorsqu’il est au repos, les électrons d’un atome sont sur une certaine " couche " : l’atome possède plusieurs niveaux d’énergie. Puis, dès qu’il est percuté, l’énergie supplémentaire qu’il acquiert grâce à l’électron incident sert à faire " passer " ses électrons sur une " couche supérieure ", qui correspond à un niveau d’énergie plus élevé. D’après la règle de Klechkowski, ces niveaux d’énergie sont remplis dans l’ordre suivant : niveau 1s, puis 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p…

A chaque niveau d’énergie correspond des nombres quantiques. Ainsi, pour le niveau 1s, on a n=1, l=0 (ce qui correspond à une orbitale atomique s) . pour le niveau 2p, on a n=2, l=1 et m=0 ou m= ± 1. Ces trois valeurs de m correspondent à trois orbitales atomiques différentes.

Les électrons du soleil entre donc en collision avec les atomes. Ces collisions peuvent être de deux types :

b collisions radiatives : un électron rencontre un ion (A⁺) et cela forme une particule (A^*) :

A⁺ + e^- Õ A^*

b collisions dissociatives : un électron rencontre un ion (XY⁺) et cela forme deux particules excitées (X^* et Y^*) :

XY⁺ + e^- Õ X^* + Y^*

Ces atomes excités vont mettre un certain temps pour se désexciter. En se désexcitant, ceux-ci vont produire une radiation lumineuse, visible ou non à l’œil nu selon la nature des atomes. Cette radiation lumineuse ou grain de lumière est appelé photon. Ce photon a une certaine longueur d’onde et une certaine énergie qui sont toutes deux liées à la nature de l’atome et de l’énergie apportée par l’électron.

L’énergie d’un photon est donnée par la formule : E = hn De plus, le rayonnement est caractérisé par sa longueur d’onde l : l = c / n Þ n = c / l L’énergie du photon est donc : E = hc / l Avec : h = 6.62.10-34 Js (constante de Plank) c = 3.108 ms-1 (célérité) n est la fréquence du rayonnement Cependant, notre bouclier magnétique a 2 points de faiblesse : les pôles. C’est en effet au niveau de chacun des 2 pôles que les lignes de force de notre champ magnétique plongent vers le coeur de la Terre, formant ainsi 2 grands “entonnoirs magnétiques” par lesquels le plasma solaire pénètre dans la haute atmosphère du globe terrestre, en donnant naissance aux aurores boréales (pôle nord) ou australes(pole sud) : lors de leur chute vertigineuse en direction des pôles, les particules du plasma solaire accélèrent de plus en plus. C’est cette accélération qui leur donne l’énergie nécessaire pour entraîner des collisions avec l’oxygène et l’azote de notre atmosphère. Ces collisions dégagent de la lumière : l’aurore polaire !

Les formes des aurores

La dimension de l’ovale aurorale dépend de l’activité solaire : plus le soleil est silencieux et des vents solaires calmes, moins l’ovale est grand, contrairement plus le vent solaire frappe le champ magnétique terrestre avec force et rafale, plus  l’ovale devient large et plus il s’étend. La largeur normale de la bande varie entre 500 et 1000 km et on compte aussi sur un secteur de visibilité éloigné d’aussi 500 à 1000 km. L’ovale auroral de toutes les nuits est au-dessus des régions de haute latitude (Alaska, nord de la Scandinavie, Nunavik).

L'aurore a la forme d'une mince bande elliptique - l'ovale auroral - centrée sur les pôles nord et sud magnétiques, i.e. environ à 700 mètres des pôles géographiques

Des formes sont observées et on peut les nommer : 

L’arc : l’arc s’étend d’un bout à l’autre à l’horizon comme une simple courbe; la longueur d’un arc peut atteindre 1000 kilomètres alors que son épaisseur est inférieure à 5 kilomètres; c’est un modèle tranquille typique des périodes de basse activité solaire. 

La bande : c’est un arc qui engendre le ciel d’est en ouest et des rayons verticaux se côtoient; la bande s’étendra à l’horizon et les rayons seront parallèles; elle présente des formes avec des replis flamboyants, avec des éclats de lumière à sa base de façon verticale, avec des luminosités uniformes et flous à son sommet; c’est un modèle auroral fréquent de périodes d’activités solaires moyennes à élevées. 

Le rideau : le rideau présente des formes magnifiques; les largeurs et les longueurs des rayons complètent 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. 

La couronne : la couronne présente des sommets   avec une base de croisement, elle est au zénith et ouvre dans toutes les directions; de multiples possibilités de formes comme des faisceaux rejetés dans toutes les directions; la couronne a des mouvements et des variations très rapides; formes reliées à des périodes d’activité solaire élevées. 

Pilier-rayon : les piliers sont des traits de lumières brillantes suspendus de façon verticale qui s’alignent; les variations se produisent rapidement; la longueur des rayons peut être de plusieurs centaines de kilomètres; modèle actif durant les périodes d’activité solaire élevées. 

Le voile : le voile recouvre une vaste région de luminosité uniforme qui couvre la majeure partie ou en entier du ciel; les couleurs sont brillantes et chatoyantes, possiblement la forme la plus spectaculaire; modèle actif durant les périodes d’activité solaire élevées. 

La tache : la tache est une zone de luminosité de faible étendue, ayant la forme ressemblant à un petit nuage isolé. 

Les couleurs

Lors de violentes tempêtes solaires, une grande quantité d'électrons et de protons venant du soleil arrivent dans l'atmosphère terrestre et excitent les atomes d'oxygène et d'azote, lesquels deviennent subitement lumineux et produisent les magnifiques voiles (rubans ou rideaux) de lumière colorée que sont les aurores polaires

il y a seulement un faible pourcentage de l’énergie globale qui se manifeste sous la forme de lumière visible

 Parallèlement, la lumière solaire (ou les électrons) qui arrive dans l'atmosphère terrestre entre en collision avec différentes molécules. Chacun des gaz atmosphériques va briller différemment selon son état, neutre ou chargé, et aussi selon l'énergie de la particule qui la frappe.

Les couleurs sont le résultat de contacts chimiques dans l’atmosphère et la haute atmosphère terrestre. Ces collisions impliquent l’arrivée des particules solaires par le vent solaire. Ces protons, électrons et ions vont heurter l’azote, l’oxygène et l’hydrogène présentes.

L’altitude, la vitesse d’arrivée et l’excitation des éléments en cause ont un impact dans les résultats observés. Les aurores polaires sont donc des lumières de collisions, des impacts qui transféreront  l’énergie présente.

Il y a 3 couleurs importantes de base et près de 25 couleurs différentes seront atteintes. Le vert est la couleur la plus basse à des hauteurs de 100 à 200 km, le rouge au dessus à des hauteurs de 200 km et plus, puis le bleu à des hauteurs impressionnantes à des altitudes maximales. Les couleurs des aurores polaires aperçues sont situées à des altitudes de 90 à 150 km. Les couleurs les plus basses sont un violet bleuté qui accompagne et enveloppe les parties inférieures de certaines formes d’aurores, soit le jaune et le blanc, puis suit le vert. La couleur blanche est synonyme d’intensité et de puissance. La couleur verte est vraiment celle la plus populaire et la plus vue car elle a la plus grande densité et est la plus basse. Scientifiquement, les couleurs sont démystifiées et répertoriées, comme par exemple des molécules d’oxygène heurtées par des protons et électrons à une altitude de 200 km et plus donneront la couleur rouge.

À cause de la faible luminosité des aurores, comparable aux étoiles, elles sont présentes le jour mais ne pourront être observées que la nuit. Nos yeux perçoivent les couleurs à 75%, mais heureusement les pellicules photos et les appareils numériques nous donnent des résultats de près de 100%.

 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 haut, au-delà de 300 km, émettent une lumière rouge foncé

Finalement, 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 le bordure inférieure, dans les teintes de rouge-violet et les côtés vagués des aurores.

La couleur étant liée à la longueur d’onde, elle est donc liée au type d’atome, ainsi que de l’énergie fournie par l’électron incident :

• la couleur verte provient de l’atome d’oxygène situé entre 100 et 150 km d’altitude. La longueur d’onde de ce rayonnement est de 557,7 nm.
• les atomes d’oxygène situés à 300 km d’altitudes émettent une couleur rouge dont la longueur d’onde est de 630 nm.
• Les couleurs bleues et violettes proviennent de l’azote ionisé dont les longueurs d’onde sont aux environs de 400 nm. Oxygène Azote

Voici un exemple de la vie de tous les jours pour comprendre la lumière des aurores. Des électrons frappent sur un écran de télévision, laissant apparaître différentes couleurs selon le type de phosphore (rouge, vert, bleu) qui recouvre le tube cathodique. Parallèlement, la lumière solaire (ou les électrons) qui arrive dans l’atmosphère terrestre entre en collision avec différentes molécules. Chacun des gaz atmosphériques va briller différemment selon son état, neutre ou chargé, et aussi selon l’énergie de la particule qui la frappe.

Finalement, 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 le bordure inférieure, dans les teintes de rouge-violet et les côtés vagués des aurores.

Lieux de visibilité

L’observation des aurores polaires se font distinctement dans 3 lieux différents, soit les régions des hautes latitudes et les régions de moyenne et basse latitudes.  

Les aurores boréales se produisent dans un secteur défini, soit dans l’ovale aurorale qui encadre les pôles magnétiques.

Cet ovale n’est pas fixe ; il bouge et parfois s’élargit ou se rétrécit, mais les hautes latitudes sont favorisées considérablement.

Ces hautes latitudes comprennent le nord de l’Alaska, le nord de la Russie, parfois de l’ouest et le nord de la Scandinavie, sans oublier le Nunavik au Québec.

Ce sont des endroits qui se situent de 64 ^o à 87 ^o. latitude nord magnétique on parle de manifestations boréales de façon quotidienne.

Les zones des latitudes magnétiques sont la Baie James - Svalbard du côté de la Scandinavie plus aussi le centre des provinces de l’ouest canadien. Les spectacles boréals auront besoin d`arrivage solaire par les formations de trous coronaux sur le soleil.

Les basses latitudes se situent dans le bas de la province du Québec, soit Québec, Montréal et Ottawa, tout comme Oslo  Helsinki et Stockholm en Scandinavie. Il faudra de forts trous arrondis et de bonnes éruptions solaires pour assister à des spectacles boréals.

L’ovale polaire demeure, sauf qu’il sera changé et s’étirera vers l’équateur, une descente vers les latitudes moyennes et basses durera entre 24 et 48 heures.

Les villages Inuits du Nunavik sont presque tous placés sous l’ovale aurorale des spectacles réguliers, mais il ne faut pas oublier 2 facteurs très négatifs, soit les nuages et le soleil de minuit durant l’été.

. Le plus souvent, les aurores boréales surgissent dans la direction du nord, mais on observe parfois de pâles rubans lumineux qui traversent le ciel d’est en ouest.

16. L`INDICE KP

L’indice Kp est une donnée importante pour déterminer la puissance des aurores boréales dans certains lieux géographiques.

Il s’agit de l’activité géomagnétique enregistrée et qui d’un index simple de 0 a 9 La haute latitude représente des index Kp de 1a3. Par contre, dans les lieux de basse latitude comme Québec, l’index Kp devra être enregistré à 5 et 6. L’indice Kp est receuilli à partir des données en temps réel enregistré par les magnétomètres où sont répartis, entre autres, les Amériques du nord.

Si des forts arrivages de particules solaires avec des vents solaires très violents se manifestent, les indices Kp enregistrés faciliteront les index 4 et 5.

17. PÉRIODE DE VISIBILITÉ

La présence et la puissance des aurores boréales sont reliées avec l’activité du soleil. Les aurores boréales apparaissent aussitôt la tombée de la nuit et elles préparent le terrain à de spectaculaires jeux de lumières qui prendront forme quelques heures plus tard. En général, les aurores boréales sont très actives peu avant minuit.

Des statistiques d’observation confirment les mois de septembre et mars comme les plus propices. Les mois de septembre et octobre, février et mars sont les périodes par excellence.

Les secteurs des hautes latitudes ont des aurores boréales presque quotidiennes, en moyenne latitude presque une nuit par mois et les basses latitudes auraient de bien belles statistiques, soit 1 a 3 nuits par mois. Mais il y a un facteur non négligeable aucune saison ne privilégie la fréquence des aurores boréales, on peut les voir à n’importe quelle époque.

Ce cycle de 11 ans du soleil (maximum et minimum solaire) a une incidence pour les régions des moyennes et basse latitudes, mais pour ces lieux, l’aurore polaire sera visible autant dans les mois de juin ou août, car les heures de noirceur sont normales.

Dans les hautes latitudes d’Alaska – Nunavik – Haute Scandinavie sont des pays du soleil de minuit, car dans les mois de mars à août, le soleil brille jour et nuit pendant l’été, donc les statistiques d’observation sont faussées à cause de cette clarté.

Ce qui empèche de voir les aurores boréales

-          Pollution lumineuse des villes

-          Pleine lune

-          Nuages

Exemples pour expliquer les aurores

Les lumières au néon fonctionnent de la même façon. Les atomes de néon ont besoin d'être excités par l'électricité pour qu'une partie de l'énergie d'excitation se transforme en photon, ou en lumière. Dès qu'on coupe la source électrique, l'énergie n'est pas assez grande pour "allumer" les atomes de néon, et la lumière s'éteint. De même, le vent solaire doit contenir assez d'énergie pour que ses électrons excitent ceux des atomes et des molécules de la haute atmosphère terrestre, et provoque ainsi des aurores.

 Voici un exemple de la vie de tous les jours pour comprendre la lumière des aurores. Des électrons frappent sur un écran de télévision, laissant apparaître différentes couleurs selon le type de phosphore (rouge, vert, bleu) qui recouvre le tube cathodique

Luminosité ?

Au zénith, les aurores polaires les plus intenses sont environ 1000 fois plus lumineuses que le ciel nocturne le plus noir et 10 000 fois moins lumineuses qu’un ciel bleu à midi. La luminosité des aurores peut parfois dépasser celle de la pleine lune.

Quels sont leur durée de vie et leur mode de déroulement?

Elles disparaissent 2 à 3 heures après leur formation.

Dans une première phase, de croissance, entre 18 et 22 heures locales, on observe une lueur diffuse dans la direction du pôle, puis une bande homogène apparaît à l’horizon et se déplace en direction du zénith ; elle est suivie d’arcs qui peuvent se déformer et être animés de mouvements rapides .

Le début de la seconde phase est marqué par la rupture des formes homogènes et l’apparition de structures rayées ; on voit alors des draperies et des couronnes, très rapidement variables, en direction du zénith.

Dans une dernière phase, de recouvrement, l’aurore devient plus quiescente. Elle est surtout formée de lueurs diffuses, quelquefois de taches pulsantes qui régressent vers le nord ou disparaissent sur place.

Lors d'un orage solaire accompagnant un orage magnétique, et faisant suite à une éruption chromosphérique ou un sursaut solaire important (le soleil offre un pic d'activation solaire sur un cycle de 11 ans)⁸, un afflux de particules chargées, éjectées par le Soleil, entre en collision avec le bouclier que constitue la magnétosphère⁸. Des particules électrisées à haute énergie peuvent alors être captées et canalisées par les lignes du champ magnétique terrestre du côté nuit de la magnétosphère (la queue) et aboutir dans les cornets polaires. Ces particules, — électrons, protons et ions positifs —, excitent ou ionisent les atomes de la haute atmosphère, l'ionosphère⁹. L'atome excité ne peut rester dans cet état, et un électron change alors de couche, libérant au passage un peu d'énergie, en émettant un photon (particule élémentaire constitutive de la lumière visible). Comme la nature de ces ions (oxygène, hydrogène, azote, ...) dépend de l'altitude, ceci explique en partie les variations de teintes des nuages, draperies, rideaux, arcs, rayons... qui se déploient dans le ciel à des altitudes comprises entre 80 et 1 000 km. L'ionisation résultant de cet afflux de particules provoque la formation de nuages ionisés réfléchissant les ondes radio.
C'est en juillet 2008 qu'une explication cohérente de ce phénomène a été fournie par la NASA grâce à la mission américaine THEMIS. Les scientifiques ont en effet localisé la source de ces phénomènes dans des explosions d'énergie magnétique se produisant à un tiers de la distance qui sépare la Terre de la Lune. Ils sont ainsi provoqués par des « reconnexions » entre les « cordes magnétiques géantes » reliant la Terre au Soleil qui stockent l'énergie des vents solaires.
L'étude spectrographique de la lumière émise montre la présence de l'oxygène (raie verte à 557 nm et doublet rouge à 630 et 636 nm) entre 120 et 180 km d'altitude, de l'azote et de ses composés et 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).
Le phénomène se produit lorsque les particules émises par le Soleil s'électromagnétisent au-dessus de la stratosphère. Elles recouvrent ainsi le ciel de draperies phosphorescentes pouvant furtivement reproduire sur leur bord toutes les couleurs du spectre. Il faut que le ciel soit clair, dégagé de préférence sans Lune et dépourvu de lumières parasites.