On a capturé des aurores polaires

Jeremy Maire
Arthur Aberkanne
Martin Borrel
Professeur: Philippe Jeanjacquot

On a capturé des aurores polaires !
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 !
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 !
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 XIX
ème
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 !
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.