Un événement de l`histoire du champ magnétique terrestre révélé
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Activité documentaire n°1 du chapitre 1 §I-1 (05/09/2013) RAYONNEMENTS DANS L’UNIVERS Notions et contenus Absorption de rayonnements par l’atmosphère terrestre Compétences exigibles Extraire et exploiter des informations sur l’absorption de rayonnements par l’atmosphère terrestre et ses conséquences sur l’observation des sources de rayonnements dans l’Univers. Connaître des sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet Extraire et exploiter des informations sur des sources d’ondes et de particules et leurs utilisations. La Terre reçoit de toutes les directions de l’espace un flot continu de rayonnements principalement sous forme de rayonnements électromagnétiques ou de particules (protons, particules , électrons, noyaux d’atomes, neutrinos…). Seule l’étude de ces rayonnements nous permet de connaître l’Univers (constitution, évolution, distances, températures,…). Une partie de ceux-ci (rayons X, UV, , ….) sont absorbés partiellement ou totalement par notre atmosphère. C’est heureux car cela nous protège de leurs effets néfastes, rendant ainsi possible la vie sur Terre, telle que nous la connaissons. Cependant le phénomène d’absorption est aussi un frein à notre connaissance de l’Univers puisque celui-ci rend l’étude de ces rayonnements plus difficile. L’objectif principal de cette activité est de s’intéresser aux sources des rayonnements ainsi que d’aborder quelques problématiques liées à leur absorption par notre atmosphère et à leur observation. A cet effet vous répondrez aux questions ci-dessous. Les documents utiles à la résolution sont rassemblés en annexe. 1. 2. 3. 4. Rappeler les limites en longueur d’onde (dans le vide) du domaine du visible. Calculer les fréquences correspondantes. Rappeler la relation donnant la valeur du quantum d’énergie E transporté par un photon associé à l’onde électromagnétique de longueur d’onde dans le vide vide . On notera h la constante de Planck et c la célérité de la lumière dans le vide. On considère les trois domaines de rayonnements suivants : radio, ultraviolet (UV) et infrarouge(IR). Quel est parmi ces trois domaines le plus énergétique ? Le moins énergétique ? (aucun calcul n’est demandé). Associer dans le tableau ci-dessous à chacune des sources de rayonnement de l’Univers indiquées le type de rayonnement (radio, UV ou IR) qui lui correspond. Sources de rayonnements dans l’Univers -étoiles très chaude -nuages de gaz excités par des étoiles Objets « froids » (température inférieure à 3000 K) : poussières interstellaires , planètes, astéroïdes, etc. Type de rayonnement Page 1 sur 4 Rayonnement fossile à 3K : rayonnement baignant tout l’Univers (résultat actuel du rayonnement thermique que l’Univers émettait au début de son évolution) 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Pourquoi est-il utile d’étudier des rayonnements correspondant à plusieurs domaines du spectre électromagnétique ? Quels sont les domaines des ondes électromagnétiques difficilement observables depuis la surface de la Terre ? Quels sont les domaines des ondes électromagnétiques absorbées : 7.1. par la vapeur d’eau ? 7.2. Par le dioxygène et l’ozone ? Quelles sont les longueurs d’onde des radiations observées par un radiotélescope ? Pourquoi peut-on installer des radiotélescopes au niveau de la mer ? Pourquoi certaines observations ont-elles été améliorées par l’utilisation de télescopes spatiaux ? Citer quelques sources de rayonnement cosmique. Quelle est parmi ces sources celle qui se trouve le plus proche de nous ? Une des particules constituant le rayonnement cosmique est la particule . Qu’est-ce qu’une particule ? D’où proviennent les muons observés à la surface de la Terre ? Comment la Terre est-elle protégée du rayonnement cosmique ? Cette protection est-elle uniforme ? Fonctionne-t-elle pour tout type de particules ? Citer quelques applications résultant de l’étude du rayonnement cosmique. ANNEXE Document 1 Rayonnement électromagnétique, photon et onde électromagnétique Le vecteur du rayonnement électromagnétique est le photon. Le photon est un objet quantique qui selon le contexte expérimental se comporte soit comme une particule (de masse nulle) soit comme une onde appelée onde électromagnétique (OEM)*. La lumière visible ne représente qu’une infime partie du domaine des rayonnements électromagnétiques qui peuvent être modélisée par des OEM. Le domaine de OEM va des ondes radios jusqu’aux rayons en passant par les infrarouges, le visible, les ultra-violets et les rayons X. Une OEM est une onde complexe produite par un champ magnétique et un champ électrique se propageant sans nécessité de support matériel, caractérisée par sa fréquence ou sa longueur d’onde dans le vide vide. et vide sont liées par la relation suivante : c vide avec en hertz (Hz), vide en mètre (m) et où c représente la célérité de la lumière dans le vide exprimée en mètre par seconde. c= 3,00 x 108 m.s-1. *Le photon n’est donc ni une particule ni une onde. Document 2 Fresque des OEM Animation : ondesEM_frise.swf Spectre 1 page 21 de votre livre Page 2 sur 4 Document 3 Ces rayonnements dans l’Univers Pages 20 et 21 de votre livre Document 4 Le rayonnement cosmique D’après le site internet du CCPM (Centre de Physique des Particules de Marseille) http://marwww.in2p3.fr/ancienarticle.php3?id_article=907 Comme une pluie fine venant des confins de l’Univers, les rayons cosmiques nous bombardent en continu…Composé de particules dont l’énergie peut dépasser plusieurs millions de fois celle obtenue avec les plus grands accélérateurs construits sur Terre, les rayons cosmiques sont certainement produits dans les processus les plus violents de l’Univers (supernovae*, sursauts gamma*, pulsars*,…). Les mécanismes de production et d’accélération restent cependant encore mal connus et sont l’objet d’une intense et riche recherche en astrophysique des particules. En arrivant sur l’atmosphère terrestre, les rayons cosmiques vont interagir avec la matière et créer des cascades composées de centaine de milliers de particules secondaires. C’est en étudiant cette composante secondaire des rayons cosmiques que les physiciens de la première moitié du 20ème siècle ont installé les premiers laboratoires de physique des particules perchés dans les plus hautes montagnes comme le Pic du Midi de Bigorre (Hautes-Pyrénées, 2 877 mètres), l’Aiguille du Midi (Massif du Mont-Blanc, 3 842 mètres) ou la Jungfraujoch (Alpes bernoises, 3 471 mètres). Là, ils découvriront les muons, les pions, les kaons ou encore les premières antiparticules. Au-delà des particules élémentaires, les réactions nucléaires produites par les rayons cosmiques dans l’atmosphère produisent des isotopes radioactifs tel le carbone 14 très utilisé dans la datation. Page 3 sur 4 Au niveau du sol, une des manifestations visible et spectaculaire des rayons cosmiques vient de sa composante basse énergie, engendrée par le Soleil et qui donne lieu aux aurores boréales et australes. Le flux de particules créé par le rayonnement cosmique est d’environ une particule par minute et par cm2. Pendant le temps que vous aurez pris à lire ce texte, sans que vous en ayez conscience, votre corps aura été traversé par plus de 5000 de ces particules ! Ces particules ont un effet sur la formation des nuages, sur le déclenchement des éclairs, mais aussi sur la chimie de l’atmosphère ou encore le fonctionnement des composants électroniques. Des applications en géologie permettent d’étudier des profils de densité rocheuse, de chercher des eaux souterraines et surveiller l’activité des volcans. *supernovae : explosion cataclysmique d’une étoile massive (masse > 10 x masse du Soleil). *sursauts gamma : émission de rayonnement gamma due, on le suppose, à la naissance d’un trou noir. *pulsars : « étoile » à neutron tournant très rapidement sur elle -même Documents 5 Vidéo : aurores polaires.mp4 Document 6 Un événement de l'histoire du champ magnétique terrestre révélé par l'action du rayonnement cosmique D’après le site du CNRS (centre National de la Recherche Scientifique) http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2885.htm Il y a 41 000 ans, le champ magnétique de la Terre s'est estompé jusqu'à pratiquement disparaître, laissant notre planète sans protection face au bombardement de particules cosmiques. Des traces de cet événement ont été retrouvées dans des carottes de sédiments océaniques par une équipe du Centre de recherche et d'enseignement de géosciences de l'environnement (CEREGE, CNRS/Aix-Marseille Université/IRD/Collège de France). Dans ces carottes, les chercheurs ont mesuré des variations dans la concentration de Béryllium 10, un isotope radioactif produit par l'action des particules cosmiques sur les atomes d'oxygène ou d'azote de l'atmosphère. Ces travaux, publiés dans le Journal of Geophysical Research, sont un pas important vers la mise au point d'une nouvelle méthode pour étudier l'histoire du champ magnétique terrestre, qui permettra de mieux comprendre sa baisse d'intensité en cours depuis trois millénaires. 23/11/2012 Page 4 sur 4
