Comment réaliser des aurores polaires au laboratoire, reproduire les anneaux auroraux sur une petite sphère. Cette expérience reprend et teste de nouvelles configurations l'expérience de Birkeland sur les aurores polaires

1. Jeremy Maire
Arthur Aberkanne
Martin Borrel
Professeur: Philippe Jeanjacquot

2. Sommaire :
Introduction/Résumé 3
I] Acquis préliminaires à notre projet 4
1) Découvertes historiques, l’histoire d’une découverte… 4
2) Interprétation actuelle de ce phénomène naturel 7
II] Expériences 9
1) Première expérience 9
2) Sécurité de l’expérience. 10
3) Améliorations de l’expérience. 10
4) Modification de paramètres. 13
5) Principales contraintes rencontrées 15
6) Comparaison des paramètres mesurés avec ceux de la Terre. 16
III] Exploitation des résultats et liens entre phénomène réels et expérimentaux 17
IV] Les calculs possibles 20
1) Qu’est ce qu’un plasma ? 20
2) Quelle est la particularité des électrons dans la cloche à vide ? 20
3) Quelle est la vitesse des électrons suprathermiques ? 21
4) Quelle est la température des électrons suprathermiques ? 21
5) Quelle est la quantité d’électrons suprathermiques : 21
6) Comment calculer la quantité d’électrons ambiants ? 21
7) Quelle est la concentration de particules neutres 22
8) Quel est le taux d’ionisation ? 22
V] Exposition du projet 23
VI] Conclusion 25
VII] Bibliographie 25
VIII] Remerciements 26
On a capturé des aurores polaires !
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3. Introduction/Résumé :
Lorsque l’on a la chance de voir une aurore boréale, on est submergé par la beauté d’un tel phénomène.
Comment la nature peut elle créer un tel spectacle ? On a envie de comprendre ce qui se cache derrière les
aurores boréales.
Pourquoi ne pas utiliser les aurores pour donner envie de faires des sciences ?
Mais ce phénomène ne se manifeste que dans les régions de latitudes élevées. Les photographies, les films
ne peuvent pas remplacer la réalité et l’émotion qu’elle suscite.
Serait-il possible de reproduire ces aurores dans un laboratoire et pourquoi pas avec du matériel de lycée ?
D’en profiter ainsi pour comprendre et expliquer les phénomènes scientifiques impliqués ?
Si l’on se penche sur l’histoire des sciences, on découvre les étapes, les hésitations, les erreurs et les
avancées dans la compréhension des aurores polaires. Mais surtout on découvre un trésor, une belle
expérience : l’expérience de Birkeland.
Peut-on la refaire avec les moyens du lycée ? Peut-on capturer les aurores polaires ? C’est le défi que nous
nous sommes lancés.
En premier lieu, une connaissance approfondie du sujet s’imposait. Ensuite, Une longue série d’expériences,
pour enfin analyser nos résultats et comprendre nos erreurs. Avec du temps et de la patience, nous avons pu
réaliser notre projet. Simplifier et améliorer certaines parties de l’expérience.
L’expérience est faite pour être présentée devant tout type de public. Elle a été présentée au lycée dans le
cadre de la semaine de la science. Elle a été présentée devant trois classes préparatoires aux grandes écoles
(PC*) au lycée Lamartinière Montplaisir. Elle sera présentée devant des élèves de collège et d’école
primaire en Turquie dans la cadre d’un projet Comenius.
Suivant le niveau du public, l’histoire des sciences, différents phénomènes physiques, la météorologie
solaire, la physique des plasmas peuvent être abordés.
L’expérience a déjà suscité des émules : un TPE et deux TIPE dans d’autres établissements ont repris le
même sujet.
Nous tenons particulièrement à remercier Jean Lilensten, chercheur au Laboratoire de planétologie de
Grenoble pour son aide et ses multiples conseils.
On a capturé des aurores polaires !
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4. I] Acquis préliminaires à notre projet
1°) Découvertes historiques, l’histoire d’une découverte…
Les aurores boréales ont été étudiées relativement tard. Il faut dire qu’elles ne sont pas faciles à observer.
Elles se produisent souvent dans des régions peu habitées à cause de leurs latitudes élevées.
1582-1598 - Tycho Brahé réalise le premier comptage d’aurores polaires depuis son observatoire
d’Uraniborg. A l’époque, on pense que les aurores polaires sont des phénomènes météorologiques qui ont
lieu dans l’atmosphère et qui sont dus à la réfraction de la lumière solaire (comme pour les arcs en ciel !!)
Mesures de Tycho Brahé (Source The Northern Light)
1716-1732 - Celsius remarque un lien entre l’apparition d’aurores et les variations du champ magnétique. Il
remarque que l’aiguille des boussoles est déviée lors des aurores boréales. Les aurores sont liées à des
phénomènes magnétiques…
1817- Jean Baptiste Biot étudie la polarisation des aurores boréales. Les aurores polaires ne sont pas
polarisées. La polarisation est une propriété de la lumière. Au début du XIXème siècle, on sait que la lumière
du Soleil lorsqu’elle est réfléchie ou réfractée est polarisée. Celle des aurores boréales ne l’est pas.
L’hypothèse de la réfraction de la lumière solaire est réfutée.
1830- Hansteen mesure l’altitude des aurores boréales par triangulation. Elles ont lieu à plus de 100 km
d’altitude. Ce ne sont pas des phénomènes météorologiques de la basse atmosphère.
1868 - Angström établit le spectre d'une aurore boréale verte. Il correspond à celui du dioxygène. Le lien est
fait avec les spectres et les phénomènes que l’on observe à l’époque dans les tubes à décharges. On
comprend ainsi que la lumière aurorale est due à une décharge électrique. Mais d’où vient-elle ? Serait-elle
due à la friction de la haute atmosphère liée à la rotation terrestre ?
On a capturé des aurores polaires !
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5. Mesures d’ Angström (Source NCAR/HAO)
1870 - Tromholt constate un lien entre la périodicité du nombre d’aurores et l’activité solaire. La décharge
électrique proviendrait-elle du Soleil ?
1881 - Hermann Fritz établit la carte de fréquence des aurores. Les aurores se forment plus fréquemment
sur un anneau dont le centre est le pôle magnétique.
La carte de fréquence des aurores par Hermann Fritz (1881)
A la fin du XIX siècle, Birkeland aboutit à la conclusion que les aurores sont dues à des décharges
électriques provenant du Soleil. Pour le prouver, il réalise une expérience. Dans un tube à décharge, il
remplace l’anode par une sphère aimantée : « La Terrella ». Et, lors de la décharge, il observe … des
anneaux auroraux, comme sur la carte d’Hermann Fritz.
On a capturé des aurores polaires !
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6. L’anneau observé par Birkeland (Crédit Birkeland, Expédition Norvégienne 1899-1900)
L’expérience va plus loin, il observe deux anneaux, à chaque pôle. Les aurores ne sont pas que boréales,
elles sont aussi australes : Ce sont les aurores polaires.
Les deux anneaux observés par Birkeland (Crédit Birkeland, Expédition Norvégienne 1899-1900)
Sur cette image Birkeland n’interprète pas la zone liant les deux aurores. Dommage, ce sont les ceintures de
Van Allen.
Lorsque la sphère est placée à la cathode, il observe un anneau équatorial. Il fait l’analogie avec l’anneau de
Saturne. On sait maintenant que les anneaux de Saturne n’ont rien à voir avec les décharges électriques.
On a capturé des aurores polaires !
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7. 2°) Interprétation actuelle de ce phénomène naturel
Ceci est une aurore polaire. Le soleil produit en continu des particules. Elles créent le « vent solaire », c’est
un mélange équilibré de protons et d’électrons avec 5 à 25 % de noyaux d’Hélium. Le vent souffle en
permanence avec une vitesse de 200 à 700km/s. Lorsque ce vent solaire rencontre le champ magnétique, les
particules qu'il contient suivent les lignes de champ magnétique qui les conduisent aux pôles. Deux chemins
sont possibles :
- le premier est direct, ce sont les cornets polaires. (chemin en rouge)
- le deuxième contourne la magnétosphère. Les particules se retrouvent alors dans un feuillet neutre
puis sont accélérées vers la Terre. Ce phénomène crée les anneaux auroraux. (chemin en vert)
Cornet polaire
Magnétosphère
Attention, dans ce schéma les échelles ne sont pas respectées, il sert juste à illustrer le principe de création
des anneaux auroraux. (source de l’image du fond http://florenaud.free.fr/Aurores.php)
Ces particules vont ensuite heurter les molécules de gaz de l'atmosphère terrestre. Ces molécules sont de ce
fait excitées et produisent de la lumière quand elles redeviennent stables.
Ce phénomène ne se trouve pas que sur Terre mais aussi sur les autres planètes du système solaire qui ont un
champ magnétique. (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune)
Les anneaux auroraux ont été observés pour la première fois depuis l’espace par le satellite « Dynamic
explorer » de 1981 à 1990.
On a capturé des aurores polaires !
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8. Un anneau auroral en fausses couleurs (crédit dynamic explorer)
Les deux anneaux en fausse couleur (crédit dynamic explorer)
On a capturé des aurores polaires !
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9. II] Expériences
1°) Première expérience
Nous avons essayé de reproduire l’expérience de Birkeland avec du matériel de lycée. En 1896, les
normes de sécurité n’étaient pas les même qu’aujourd’hui et le matériel était plus volumineux.
Générateur Tubes à décharges
haute tension avec la terrella
Pompe à vide
Expérience de Birkeland. (Crédit Birkeland, Expédition Norvégienne 1899-1900)
Pour cela nous nous sommes munis d’une cloche à vide, d’une pompe à vide, d’un générateur haute
tension (celui du canon à électrons), d’un fil servant d’anode et d’une sphère servant de cathode.
Cloche à vide avec
la Terrella
Générateur
haute tension
On a capturé des aurores polaires !
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10. Pompe à vide
Explications relatives aux différents composants du système :
- La cloche à vide et la pompe servent à reproduire les conditions de pression nécessaires à
l’apparition des aurores polaires.
- Le générateur haute tension permet d’envoyer les électrons dans la cloche et de remplacer les
particules provenant du vent solaire.
- La sphère est aimantée, elle représente la Terre et son champ magnétique. Nous avons deux aimants
pour reproduire le champ magnétique.
- La cathode envoie les électrons remplaçant le vent solaire. (la cathode représente le réservoir de
particules chargées dont nous avons parlé dans le paragraphe I2) c’est le feuillet neutre.
2) Sécurité de l’expérience.
Quatre points nécessitent une attention particulière liée à la sécurité.
- Le champ magnétique. Les aimants produisent un champ magnétique puissant. Est-ce dangereux ? Il n’y a
aucun risque, l’aimantation décroit très fortement, si on mesure le champ magnétique à 15cm, il est
identique au champ magnétique terrestre.
- Le vide : la pression dans la cloche est comprise en 1Pa et 10 Pa. Elle est normalisée CE pour supporter
une telle dépression.
- Le rayonnement. Y a-t-il un rayonnement nocif lors de la décharge ? Dès le début, nous avons vérifié avec
un dosimètre mesurant les rayons X et UV. Aucun rayonnement nocif n’a été mesuré.
- La Haute tension : les montages ont tous été vérifiés par le professeur. Lors du fonctionnement,
l’utilisateur ne peut intervenir que sur les boutons marche - arrêt et réglage de tension du générateur HT.
3) Amélioration de l’expérience.
*Entre la première et la dernière expérience, nous avons modifié la cathode. A la place d’une tige
avec un bout pointu, nous avons mis le fil seul pour éviter les décharges puis pour encore diminuer ce
risque, nous avons mis un disque de cuivre soudé sur ce fils pour augmenter la surface de la cathode.
On a capturé des aurores polaires !
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11. *Les principales différences entre les expériences sont liées à la nature des sphères. Nous avions au
début une sphère en laiton mais malheureusement abîmée. Les décharges se faisaient dans les aspérités de la
sphère(1). Puis nous avons eu l’idée de peindre avec une peinture conductrice des boules en plastiques
faisant office de boule de noël dans leur usage initial(2). Cette idée est originale à notre projet, cela nous
permet de produire des sphères bon marché en grande quantité. Possédant des sphères en plastiques de
tailles différentes nous avons pu modifier ce paramètre. Ensuite, l’atelier de notre lycée a pu nous fournir
des sphères en aluminium et une en acier(3). Nous avons donc eu des sphères en métal sans défaut. Nous
avons eu l’idée de remplacer ces sphères par un aimant sphérique. Les résultats ont été probant (formation
d’anneaux), le plus gros inconvénient étant la petite taille de la sphère(4). Enfin, nous avons commandé une
sphère faite sur mesure qui s’ouvre à l’équateur et où il n’y a pas d’ouverture lorsqu’on la ferme(5). Les
sphères sont photographiées dans le tableau ci-dessous.
Sphère montée Sphère observée pendant la décharge Champ magnétique
aux pôles de la sphère
(1) 97mT (sud)
104mT (nord)
(2) 93mT (sud)
110mT (nord)
(3) 114mT
On a capturé des aurores polaires !
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12. (4)
146mT
(5) 80mT (nord)
107mT (sud)
Nous avons placé à l’intérieur de chaque sphère des
dipôles magnétiques. L’axe du dipôle est orienté Cathode
perpendiculairement à l’axe cathode - anode. Ces conditions
permettent de se rapprocher du cas de la Terre.
Le schéma ci contre montre la configuration des aimants.
Nord Sud Anode
Vide
- +
On a capturé des aurores polaires !
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13. 4) Modification de paramètres.
-La tension-
*Le paramètre le plus facile à faire varier est la tension. Nous avons observé que plus la tension
augmentait, plus la taille des anneaux augmentait. Nous avons joué sur ce paramètre pour obtenir des
anneaux plus ou moins grands et plus ou moins nets.
La tension est plus faible sur l’image de droite que sur l’image de gauche.
Ce paramètre correspond bien à la réalité du phénomène. En effet, lorsque le vent solaire (c'est-à-dire
l’ensemble des particules chargées provenant du soleil) est plus énergétique alors les aurores polaires sont
observées à des latitudes plus basses. Une tension plus forte correspond à des électrons plus énergétiques et
donc à un vent solaire plus énergétique.
Il est cependant difficile de faire des mesures. L’anneau auroral a des bords flous et il est parfois
masqué par la décharge. La série de photos suivante en est la preuve. Il est difficile dans ce cas de mesurer
précisément la taille de l’anneau.
600V 700V 800V
900V 1000V 1100V
On a capturé des aurores polaires !
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14. -La nature du gaz-
*Nous avons réussi à modifier la nature du gaz de la sphère. Nous avons remplacé l’azote majoritaire
dans l’air par de l’oxygène pur. Le résultat a été un changement de couleur des aurores, passant du violet au
vert. La couleur des aurores dépend donc bien de la nature des molécules excitées (Ceci faisait partie de nos
connaissances de base et nous avons pu le vérifier)
A gauche, avec du dioxygène, à droite avec de l’azote.
-La pression-
*Le paramètre le plus difficilement quantifiable de notre manipulation est la pression. Le capteur de
mesure de ce type de pression est la jauge Pirani. C’est un instrument coûteux, difficile à calibrer. Il n’est
pas prévisible d’en utiliser un avec le budget que nous nous sommes fixé. Cependant nous avons pu
augmenter ou diminuer la pression en laissant la pompe à vide tourner longtemps ou bien en réinjectant un
peu d’air dans la cloche. Nous avons donc pu constater que la formation d’aurores polaires était tributaire
d’une valeur de pression. La pression obtenue en régime stationnaire de la pompe est comprise entre 1Pa et
10Pa (soit une altitude entre 60 et 2000 kilomètres). Par contre, la taille de l’anneau ne dépend pas de la
pression, la taille observée ne dépend pas de la durée de fonctionnement de la pompe.
Comment estimer l’influence de la pression sur l’expérience ?
• Problème : Pression faible de 1 à 10 Pa (vide primaire)
Une jauge Pirani nous permettrait de mesurer la pression mais elle est trop coûteuse pour le lycée. De
plus, nous n’avons pas d’instrument pour la calibrer.
• Expérience : La forme de l’aurore polaire varie pendant le fonctionnement de la pompe. Nous avons
donc filmé l’évolution de la forme de la décharge pendant 20 minutes avec la pompe à vide en
marche. Le générateur est bloqué au départ à 2.5kV.
Temps Observations
De 0 à 2 minutes Pas de décharges.
2 minutes Début de la décharge, la tension du générateur descend à
1.3kV puis reste stable pendant toute l’expérience.
De 2 minutes à 10 minutes La forme de l’aurore évolue
De 10 minutes à plus La forme de l’aurore est stable, on peut considérer que
l’on a atteint le minimum de pression que la pompe ne
peut dépasser. Nous travaillons à ce minimum de
pression.
On a capturé des aurores polaires !
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15. -le changement de polarité-
*Un des paramètres que nous inversons fréquemment est la position de la cathode et celle de l’anode.
Cela nous permet de passer d’une configuration « normale » où le feuillet neutre (voir I2) est situé en haut
de la cloche et symbolisé par le disque de cuivre et où la Terre est représentée par la sphère. En inversant la
polarité, nous produisons des jets stellaires. Les électrons partent de la sphère pour aller vers la cathode. La
sphère émet le vent solaire, le jet est dans le plan équatorial
Position inversée Position « normale »
5°) Principales contraintes rencontrées
*La principale contrainte rencontrée lors des manipulations a été l’isolation du système et des
différents éléments à l’intérieur de la cloche. En effet, dès qu’un petit bout de métal dépasse, la décharge se
fait directement dessus et annihile tout résultat probant. Il a donc fallu isoler chaque raccord et aussi
solidariser la sphère, son support et la platine avec de la « Patafix » afin d’avoir une bonne isolation et ainsi
obtenir les résultats désirés.
*L’objectif de ce projet étant de pouvoir créer des aurores polaires n’importe où, nous nous sommes
forcés à ne pas avoir un budget très important. La cloche à vide, la pompe à vide et le générateur haute
tension étaient présents au lycée. Les seuls éléments en plus sont donc la sphère, les aimants dans la sphère
et le disque de cuivre. Nous avons pu faire usiner une sphère par l’atelier du lycée et le disque de cuivre a
été récupéré. Il ne reste donc que les aimants « Terre rare » à acheter. On peut en trouver pour moins de 5
euros/pièce sur internet. Cette expérience est donc réalisable avec un petit budget, beaucoup de « Patafix » et
un peu d’huile de coude.
On a capturé des aurores polaires !
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16. Les aimants « terre rare », aimants permanents en Néodyme-Fer-Bore (NdFeB)
*Le champ magnétique au voisinage des aimants varie très fortement (ce sont des dipôles
magnétiques, le champs varie en 1/r3. , r étant la distance par rapport au centre du dipôle). Il est donc très
difficile d’avoir une valeur de champ magnétique identique au pôle nord et au pôle sud de la Terrella. 1mm
d’écart entre les aimants et la surface de la sphère suffit à engendrer une grande différence sur la taille des
anneaux. Il faut donc contrôler le champ magnétique au teslamètre et ajuster la position des aimants dans la
sphère.
6°) Comparaison des paramètres mesurés avec ceux de la Terre.
Paramètre Sur la Sphère Sur la Terre Rapport Sphère sur Terre
Champ magnétique 100mT 50µT 2000
Nature des particules Electrons Quasiment que des
chargées Protons
Masse des particules 9.10-31kg 1.7.10-27kg. 1/2000
chargées
Vitesse des particules 1,8. 104 km/s 400km/s 50
chargées
Diamètre de la sphère 5 cm 12000km 4.109
Latitude de l’anneau Identique
Dans cette configuration, nous observons des anneaux auroraux identiques à ceux créés sur Terre.
Cependant nous sommes confrontés au même problème que Birkeland. Les échelles entre la sphère et la
Terre ne sont pas identiques et n’ont pas de lien (même en utilisant les lois de l’électromagnétisme).
Birkeland avait correspondu assidûment avec Henri Poincaré pour trouver une solution (voir La
correspondance entre Henri Poincaré et les physiciens, chimistes et ingénieurs par Henri Poincaré, Scott
Walter, Etienne Bolmont)
On a capturé des aurores polaires !
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17. III] Exploitation des résultats et liens entre phénomène réels et
expérimentaux
Sur la gauche du tableau figurent les phénomènes naturels et à droite les similitudes réalisées grâce à
notre expérience.
Pour les jets stellaires, la sphère joue le rôle de cathode, elle émet donc les particules comme le Soleil. Dans
les autres cas, la sphère joue le rôle de l’anode.
Jets stellaires
Explication :
C'est un phénomène que l'on obtient lorsque la sphère est en cathode, c'est à dire: les électrons
partent de la sphère pour aller jusqu'à la plaque de cuivre. On retrouve ce phénomène sur le
soleil. Nous pouvons donc dire que notre sphère dans ce cas s'apparente au Soleil. L’image de
gauche a été réalisée par SOHO lors d’un minimum d’activité solaire. Le jet équatorial est un jet
de particules ionisées.
Aurores polaires sur Terre
Aurores sur Terre vues par Dynamic
explorer. Aurores sur notre expérience vue de face et de profil.
Explications :
Voir le paragraphe I2) les aurores
.
On a capturé des aurores polaires !
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18. Ceintures de Van Allen
Source livescience.com
Source NASA
Explication :
C'est une zone entourant l'équateur magnétique contenant une grande densité de particules
énergétiques. La rencontre de ces particules avec les molécules de la haute atmosphère terrestre
est à l'origine des aurore polaires.
On remarque que, sur les deux images, il y a des zones noires qui correspondent à l'espace entre
la Terre (ou sphère) et la ceinture de Van Allen. Dans notre cas, on observe qu’une ceinture,
celle des électrons.
On a capturé des aurores polaires !
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19. Aurores sur Uranus
Aurores sur
l’axe
magnétique
Anneau
auroral
Uranus
Image Voyager
Vue de face
Vue de côté
Explication :
Uranus est la 7ème planète du système solaire, elle a la particularité de ne pas avoir un axe
magnétique perpendiculaire au plan de l’écliptique, mais parallèle. Un de ces pôles se trouve
quasiment face au Soleil (à 30°). Les particules chargées s’engouffrent alors au centre de l’axe
magnétique et dans un anneau autour de l’axe magnétique
On a capturé des aurores polaires !
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20. IV] Les calculs possibles.
1) Qu’est ce qu’un plasma ?
Le plasma est aussi appelé quatrième état de la matière. Cet état est composé d'ions et d'électrons gazeux,
l’ensemble est électriquement neutre. Le plasma est souvent défini comme un gaz d’ions et d’électrons qui
est globalement électriquement neutre.
Expérience de
Birkeland
Les différent types de plasma en fonction de la température et de la densité des particules (source Wikipédia
et « du soleil à la Terre » de Jean Lilensten)
Ici, nous avons rajouté notre expérience à partir des calculs effectués dans les parties suivantes.
2) Quelle est la particularité des électrons dans la cloche à vide ?
Il y a deux types d’électrons, ceux créés par la décharge de haute tension (ordre de grandeur
U=1000V). Ce sont les électrons suprathermiques.
Ceux qui sont arrachés aux molécules de gaz. Ce sont les électrons ambiants.
On a capturé des aurores polaires !
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21. 3) Quelle est la vitesse des électrons suprathermiques ?
L’énergie des électrons peut se mettre sous deux formes :
E = q ⋅U
1
E= ⋅ m ⋅ vth
2
2 2 ⋅ q ⋅U
On peut ainsi exprimer la vitesse des électrons suprathermiques : vth =
m
2 ⋅1,6.10−19 ⋅1000
Si on remplace on obtient : vth = −31 soit vth = 1,9.10 7 m.s −1 , c'est-à-dire 6% de
9.10
la vitesse de la lumière (ils ne sont pas relativistes).
4) Quelle est la température des électrons suprathermiques ?
q.U
L’énergie peut s’écrire aussi sous la forme : E = k B ⋅ Tes Or E=q.U ; donc Tes = , on
kB
1,6.10 −19.1000 T = 1,16.10 K
s 7
remplace : T =s
− 23
soit e
1,38 ⋅10
e
Cette température est élevée mais la densité des électrons est très faible, elle ne correspond pas à une
température thermique mais à une température cinétique.
5) Quelle est la quantité d’électrons suprathermiques ?
On considère le cylindre délimité par la cathode et l’anode. Le
nombre d’électrons suprathermiques est égal au courant
électrique I=1mA divisé par la valeur absolue de la charge
d’un électron e multiplié par la durée du parcours d’un électron.
Cette durée est égale au rapport de la vitesse de l’électron par la
longueur du parcours L/vth. Si on divise le tout par le volume on
obtient la densité des électrons.
I L 1
N es = ⋅ ⋅
e vth V
10 −3 0,2 1
On remplace : N es = −19
⋅ ⋅
1,6.10 1,9.10 2,5.10 −4
7
Et on obtient : N es = 2,6.1011 m −3 Ce qui est assez faible quand
on le compare à la constante d’Avogadro.
6) Comment calculer la quantité d’électrons ambiants ?
Deux molécules sont majoritaires dans le gaz ambiant N2 et O2. Ces molécules s’ionisent et se
recombinent de la manière suivante : e − + M 2 → M 2
+
Lorsque l’on est en régime stationnaire, la vitesse de recombinaison est égale à celle d’ionisation et
les deux peuvent être calculées par une méthode identique à celle que l’on utilise pour la cinétique
[ ]
chimique : Pr oduction = Perte = α eff ⋅ N e ⋅ M 2 ;αeff est le coefficient de recombinaison efficace. Ne
+
[ ]
+
est la densité d’électrons ambiants ⋅ M 2 est la densité d’ions.
Or la densité d’électrons ambiants et d’ions sont identiques donc Pr oduction = Perte = α eff ⋅ N e
2
On a capturé des aurores polaires !
21

22. Pr oduction
Soit : N e =
α eff
Il faut donc maintenant déterminer la vitesse de production. La vitesse de production correspond au
nombre d’électrons ambiants arrachés par les électrons thermiques. Elle correspond donc au nombre
d’électrons thermiques par seconde (c'est-à-dire I/e) multiplié par le nombre d’électron ambiant
arrachés pour un électron thermique. Cette valeur correspond au rapport de l’énergie totale de
l’électron thermique par l’énergie qu’il faut pour arracher un électron ambiant à sa molécule
(E/Eprod). En divisant par le volume entre les deux électrodes, on obtient la vitesse de production
par unité de volume.
I E 1
Pr oduction = ⋅ ⋅
e E prod V
On remplace :I=1mA E=1000eV ; D’après l’équipe de Jean Lilensten : Eprod =35eV.
10−3 1000 1 −3 −1
Soit : Pr oduction = ⋅ ⋅ c'est-à-dire : Pr oduction = 7.14.10 m .s
20
−19 −4
1,6.10 35 2,5.10
Pr oduction 7,14.10 20
Si l’on revient au calcul de Ne N e = on obtient : N e =
α eff 10 −15
Soit : N e = 8,5.1017 m −3 Ce qui est un million de fois plus que les électrons thermiques. Par
définition, on a bien un plasma. Ces électrons ambiants ont d’ailleurs une température T = 300K
(c’est la température ambiante). On peut pointer ce plasma sur le graphique. Voir au début de ce
chapitre.
7) Quelle est la concentration de particules neutres
On utilise la loi des gaz parfaits.
N P
P ⋅V = N ⋅ k B ⋅ T soit : = si on remplace on obtient (pour une pression de 10Pa) :
V kb ⋅ T
N 10 N
= − 23
soit : = 2,4 ⋅1021 m −3
V 1,38 ⋅10 ⋅ 300 V
8) Quel est le taux d’ionisation ?
Ici, Ne est le nombre d’électrons ambiants et N celui de particules neutres (par unité de volume)
Ne 8,5.1017
τ= c’est à dire τ = 3,5.10 (une particule ionisée sur 3000)
−4
soit τ =
N + Ne 2,4 ⋅10 + 8,5.10
21 17
On a capturé des aurores polaires !
22

23. V] Expositions du projet
* Fête de la science : Lors de la semaine de la fête de la science, le lycée organisa plusieurs ateliers
et stands. Durant une après-midi, nous avons présenté notre projet et montré nos expériences.
Nous avons pu ainsi exposer notre projet à des lycéens, des collégiens et des adultes (dont notre
proviseur).
* Au mois de Mai 2009, nous nous rendrons en Turquie dans le cadre du projet Comenius. Nous allons
emmener notre expérience et la présenter à des élèves d’écoles primaires et de collèges turcs. Des aurores
polaires vont ainsi apparaitre en Turquie… La Terrella sera utilisée pour faire un atelier. Les élèves
d’écoles primaires et de collèges devront créer leur propre Terrella. Nous leur fournirons des sphères, puis
des aimants. Les élèves devront mettre ou pas les aimants dans les sphères, choisir leur configuration, une ou
deux sphères, l’orientation et la position des sphères puis observer l’expérience. Dès qu’ils auront placé leur
matériel sur leur platine, nous le testerons. Ils ne seront donc ni confrontés aux hautes tensions, ni au vide.
Le but est de leur faire retrouver par une démarche expérimentale la configuration de la Terre. Lorsque cela
sera fait, nous leur présenterons l’expérience historique et les autres phénomènes observables.
Tous nos documents sont mis sur le site internet du projet Comenius : http://isheyevo.ens-
lyon.fr/eaae/groupspace/european-sun/workshops/an-polar-light-in-our-schools/
* Nous avons pu déplacer notre manipulation en mettant tout le matériel dans une valise. Nous avons
donc crée un « Kit » aurores polaires pour pouvoir les faire apparaître où l’on souhaite. Ce kit pourra être
On a capturé des aurores polaires !
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24. disponible en prêt avec un livret technique pour le montage et une série de présentations et d’activités
suivant le niveau du public.
Les aurores capturées dans une valise !
On a capturé des aurores polaires !
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25. VI] Conclusion :
Ça y est, les aurores polaires ont été capturées. Et même si elles ne sont pas à la même échelle que
les vraies, elles nous permettent de montrer et d’étudier facilement ce phénomène très spectaculaire.
L’expérience nous permet également de faire d’autres analogies avec des phénomènes électromagnétiques
spatiaux. On se rend compte ainsi que les forces électromagnétiques sont loin d’être négligeables lorsque
l’on étudie l’astronomie.
L’amélioration suivante sera d’intégrer deux sphères (magnétisées ou non ) dans la cloche à vide et ainsi de
simuler les interactions entre Jupiter et Io mais aussi les possibles phénomènes liés aux exoplanètes très
massives.
La valise est disponible pour toutes les équipes qui veulent en profiter…
VII]Bibliographie :
Livres et Articles :
« Expédition Norvégienne 1899-1900 » de K. Birkeland,
“The Northern Light Their Heritages and their Science” de Asgeir Brekke et Alv Egeland.
“Du Soleil à la Terre Aéronomie et météorologie de l’espace » de. Jean Lilensten.
“Kristian Birkeland as I knew him” de Olaf Devik
L’Astronomie (Janvier 2009). Article de Yael Nazé sur les Aurores polaires.
“Severe Space Weather Events--Understanding Societal and Economic Impacts Workshop Report déc 2008”
(Académie des sciences américaine)
Sites web:
http://www-lpg.obs.ujf-grenoble.fr/La-Planeterrella
http://www.spaceweather.com/
http://www.spaceweather.eu/fr
Notre site web :
http://isheyevo.ens-lyon.fr/eaae/groupspace/european-sun/workshops/an-polar-light-in-our-schools/
On a capturé des aurores polaires !
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26. VIII]Remerciements.
Un grand merci à Jean Lilensten du laboratoire de planétologie de Grenoble pour ses nombreux conseils
avisés.
Merci aussi à M. Giraud pour nous avoir fourni de magnifiques Terrellas.
Merci à nos partenaires pour nous avoir accompagné dans cette aventure.
On a capturé des aurores polaires !
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