Polistaneb
LA COULEUR
(des aurores terrestres)
désexcitation de l'atome
Principe de base
Rappelons tout d’abord que l’émission d’une lumière repose sur le principe de la désexcitation de particules. Chaque atome et chaque molécule présente des niveaux d’énergie distincts. En transmettant une quantité d’énergie suffisante à une particule, celle-ci va passer de son état fondamental (niveau le plus bas) à un niveau supérieur pour prendre un état excité. Or un atome excité tend toujours à revenir dans son état fondamental. En passant d’un niveau supérieur à un niveau inférieur, l’atome va libérer un photon en d’autres termes émettre de la lumière. La longueur d’onde associée à cette émission, c’est-à-dire la couleur, dépend de l’énergie libérée lors de la désexcitation de l’atome.
Cette relation est donnée par la formule :
Où λ désigne la longueur d’onde en nanomètres, h désigne la constante de Planck (6,63.10^-34 J.s), C désigne la célérité de la lumière (3,0.10^8 m.s) et ΔE, en joules, désigne la différence entre l'énergie du niveau supérieur et l'énergie du niveau inférieur.
Ce principe de désexcitation est aussi valable pour le phénomène des aurores polaires.
Les particules du vent solaire énergétiques (essentiellement des électrons) vont rentrer en collision avec les atomes et les molécules de la haute atmosphère et ainsi les exciter. L’énergie transférée à ces particules correspond à l’énergie de l’électron et qui est donné par la relation E=0.5.m.v².
Un électron ayant sensiblement toujours la même masse, son énergie dépend de sa vitesse.
En revenant à leur état fondamental, ceux-ci vont émettre des photons de longueurs d’ondes différentes selon l’énergie libérée. Ainsi on n’obtiendra pas la même couleur suivant l’espèce excitée car chaque espèce chimique possède des niveaux d’énergie qui lui sont propres.
Aussi, étant donné qu’une même espèce présente plusieurs niveaux d’énergie différents, la couleur du photon émit dépend du passage effectué entre deux niveaux soit la quantité d’énergie libérée par celui-ci donc une même espèce peut générer plusieurs couleurs.
Explication de la Couleur des Aurores Polaires
Désactivation collisionnelle
Un phénomène influe grandement sur cette émission de lumière : la désactivation collisionnelle. Une espèce qui aurait été excitée perd son énergie si celle-ci rentre en collision avec une autre espèce chimique et ce sans émettre de photon. Due à une baisse de pression, plus on monte en altitude dans l'ionosphère moins la densité de particules est élevée. On peut donc en déduire qu’à 300km il y aura beaucoup moins de désactivation collisionnelle qu’à 60km où l’ionosphère est beaucoup plus dense.
L'ionosphère terrestre
L’émission de lumière provoquée par le phénomène des aurores polaires a lieu entre 60km et 300km d’altitude. Cet environnement correspond à une partie de la couche atmosphérique qu’est l’ionosphère. Les gaz de cette couche sont en fait du plasma, c’est-à-dire un mélange électriquement neutre d’électrons ou d’ions positifs. Ces gaz sont formés de trois espèces chimiques principales :
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L’azote moléculaire
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L’oxygène moléculaire
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L’oxygène atomique
L'oxygène moléculaire et l'azote moléculaire
Les espèces chimiques peuvent émettre des photons de longueur d’onde de toutes sortes et pas seulement celles appartenant au domaine du visible qui, rappelons le, se situe environ entre 400nm et 800 nm.
C’est par exemple le cas de l’oxygène moléculaire (dioxygène O2) qui émet uniquement dans l’ultra-violet soit à des longueurs d’ondes inférieures à 400nm. On ne peut donc pas prendre en compte cette espèce pour expliquer les couleurs des aurores visibles à l’œil nu.
L’azote moléculaire (principalement diazote N2), lui, émet dans le visible des photons de deux longueurs d’ondes différentes. La première longueur d’onde possible est située à 391nm et donne donc une couleur violette mais cependant presque imperceptible du fait qu’elle marque la limite entre le visible et l’ultraviolet. La seconde est située à 428nm et donne cette fois-ci une couleur bleue largement visible par l’œil humain.
L'oxygène atomique
Pour ce qui est de l’oxygène atomique, c’est un peu plus compliqué. On peut prendre en compte dans ce cas-ci trois niveaux d’énergie différents : 3P, 1D et 1S.
Le niveau 3P correspond à son état fondamental, le 1D correspond à un niveau d’excitation un peu plus élevé et le 1S correspond à un niveau d’excitation beaucoup plus élevé. Pour passer du niveau 1S au niveau 1D, l’oxygène a besoin de 0.9s et pour passer du 1D au 3P, il a besoin de 110s.
Dans le premier cas, l’atome d’oxygène subit une désactivation collisionnelle moins de 0.9s après son excitation. Il passe directement du niveau 1S au niveau 3P sans émettre de photon.
Dans le second cas, l’atome d’oxygène ne rentre pas en contact avec une autre particule pendant 0,9s après son excitation. Il émet donc des photons de longueur d’onde 558nm soit de couleur verte en passant du niveau 1S au niveau 1D. Après cela, l’atome subit une désactivation collisionnelle dans les 110s qui suivent et passe donc au niveau 3P.
Dans le dernier des cas, l’atome garde son énergie 0,9s après son excitation, émet une raie verte en passant du 1S au 1D. Ensuite, il conserve son énergie encore 110s sans rencontrer une autre particule et passe du niveau 1D au niveau 3P en émettant des photons de longueur d’onde 630nm soit de couleur rouge.
On convient que ce dernier cas correspondant à une émission rouge n’intervient qu’à des altitudes supérieures à 250km puisqu’il nécessite une quasi absence de désactivations collisionnelles due à une faible densité. De la même façon, les émissions dans le vert nécessitent une densité assez faible et ont donc lieu au-dessus de 100km d’altitude.
Espèces négligeables
Evidemment, l’atmosphère et l’ionosphère plus précisément n’est pas uniquement constituée d’azote et d’oxygène. On peut noter de nombreuses raies engendrées par l’atome d’hydrogène : une rouge à 656nm, une bleue à 486 nm et une violette à 434 nm. Cependant ces émissions sont d’une intensité négligeable par rapport aux émissions des autres gaz c’est pourquoi on ne les remarque pas ou très rarement.
De même on pourra considérer comme espèces négligeables le monoxyde d’azote(NO), et le dioxyde d’azote(NO2) qui forment une tâche unicolore pauvrement lumineuse.
Conclusion
En conclusion, nous avons montré que ces couleurs qui font toute la beauté des aurores dépendent de deux facteurs aussi importants l’un que l’autre : l’espèce chimique émettrice du photon, et la quantité d’énergie libérée. Nous pouvons aussi faire remarquer que, comme nous l’avons dit précédemment, la densité atmosphérique et donc l’altitude est étroitement liée à cette quantité d’énergie. Nous pourrons donc admettre dans le cadre des aurores polaires terrestre un troisième facteur : l’altitude.