Electrons, Ions et Plasma

L'aurore polaire

Gravure d’une aurore, par l’explorateur Fridtjof Nansen

Beaucoup de personnes pensent que les aurores polaires ("aurores boréales") sont un phénomène rare. Elles sont rares en effet pour la plupart des populations, mais en Alaska ou au Canada par exemple, les aurores sont assez courantes. Leurs arcs verdâtres s’étirent à travers le ciel et présentent souvent un grand nombre de raies parallèles (image ci-dessus) qui s’évanouissent à mesure que d’autres apparaissent. D’autres fois, les arcs paraissent agités, ils se déplacent rapidement, s'étendent ou s'évanouissent comme s’ils étaient manipulés par une main invisible.

Qu’est-ce qu’une aurore? D’où provient sa lumière et quelle en est la cause? Au 19ème siècle, il était déjà évident que le champ magnétique de la terre était impliqué dans ces phénomènes : les raies des aurores semblaient suivre les lignes de champ magnétique, et la fréquence avec laquelle les aurores étaient observées dépendaient de leur distance au pôle magnétique et non de leur distance au pôle géographique. Il se trouvait que l'altitude des aurores étaient d’environ 100 km or 60 miles, ce qui les plaçait dans les hautes couches de l’atmosphère.

A la fin du 19ème siècle, les scientifiques menèrent des expériences sur des phénomènes électriques dans des enceintes vidées presque entièrement de leur air. Ils y produirent des faisceaux qui semblaient être constitués de particules chargées négativement. Plus tard, ces particules furent baptiséess électrons. Quand les électrons frappent un obstacle, ils peuvent produire de la lumière (les écrans de télévision et les écrans d’ordinateur fonctionnent de cette façon). Voilà qui laissait penser que les aurores étaient peut-être produites de la même façon lorsque les faisceaux d’électrons provenant de l’espace entraient dans l’atmosphère.

L’idée gagna du terrain lorsque vers 1895, en Norvège, Kristian Birkeland pointa un faisceau d’électron vers une sphère magnétique et trouva qu’il était guidé vers les pöles magnétiques de la sphère. Des fusées instrumentées et des satellites confirmèrent plus tard l’existence de tels faisceaux d’électrons dans les aurores, mesurèrent leur énergie et même les photographièrent du dessus de la grande distribution mondiale des aurores. Mais nous avons encore à savoir comment apparaissent les aurores et d’où vient leur énergie.

Electrons

La matière est faite d’atomes, chacun étant composé de parties chargées électriquement : un noyau central, chargé positivement, entouré par un ou plusieurs électrons négatifs. Le noyau contient la plupart de la masse tandis que les électrons sont très légers, relativement facile à séparer du reste de l’atome. Un fil incandescent, par exemple, émet des électrons et peut servir de source d’électrons  pour le faisceau utilisé dans les tubes de TV et les écrans d’ordinateurs.

Les électrons sont aussi plus utiles dans le codage et le traitement électrique de l’information, un champ connu sous le nom d’électronique. De nos jours, on utilise habituellement des transistors à l’intérieur desquels les électrons sont faiblement tenus dans un matériau semi-conducteur ; mais il fut un temps où les dispositifs électroniques,-- radios, Télévisions, et même les premiers ordinateurs-- étaient reliés à des tube à vide dans lesquels un fil chaud émettait des électronsdont le mouvement était contrôlé par un arrangement de grilles et de bobine.

Les ondes électromagnétiques, en particulier les ultra violet et les rayons X, transportent suffisamment d’énergie pour éjecter les électrons de la matière. Un quasi vide est nécessaire pour qu’un tel processus soit efficace, parce que dans l’air « ordinaire » les électrons libres s’entrechoquent avec les molécules, ils perdent leur énergie et sont capturés à nouveau. Cependant, dans la majeure partie de l’espace, la matière est tellement raréfiée et les rencontres sont si rares que les électrons libres exitent pendant plus longtemps.

Lorsqu’on monte à travers l’atmosphère, les conditions de l’espace commencent à environ 70 km ou 45 miles, là où les électrons libérés par la lumière solaire dure suffisamment longtemps pour permettre à l’air de conduire l’électricité avec un degré significatif. C’est le commencement de l’ionosphère, une couche contenant suffisamment d’électrons libre (et d’ions) pour jouer un röle important dans les communications radios. Au coucher du soleil, les électrons de la partie la plus basse de l’ionosphère sont rapidement recapturés et cette couche disparait. Cependant à environ 200 km (120 miles), là où la densité des électrons libres est la plus grande (jusqu’à un million dans chaque cm cube), les collisions sont si faibles que l’ionosphère persiste jour et nuit

Ions Positifs

Quand un ou plusieurs électrons sont arrachés d’un atome, l’atome restant devient chargé positivement, c’est un ion positif. Les ions positifs portent la plupart de l’énergie et du courant dans la magnétosphère. Ils sont la composante principale des ceintures de radiations interne et externe. Les ions rapides sont aussi produits par le soleil sous forme d'un flot continu dans toutes les directions : le vent solaire. Ce dernier provoque et entretient les orages magnétiques et autres phénomènes similaires.

Le plus simple des atomes est l’atome d’hydrogène avec juste un électron. Arracher cet électron engendre le plus simple des ions, le proton. Le proton a un proche parent, le neutron --presque la même masse mais pas de charge électrique-- et ensemble, ils forment les briques de base avec lesquelles sont construits les noyaux de tous les atomes.

La plupart des ions rapides dans la magnétosphère et dans le vent solaire sont les protons. Dans l’ionosphère on s’attend à voir des ions azote et oxygène (les gaz atmosphériques principaux). En fait la plupart des ions sont des ions O+, atomes d’oxygène qui ont perdu un électron (parmi huit). Certains ions O+ finissent dans la ceinture de radiation, fortement alimentée en énergie par les orages magnétiques.

Plasma

Les ions et les électrons de l’espace sont habituellement mélangés dans une “soupe” contenant une quantité égale de charges positives et négatives. Un tel mélange est un plasma (le même terme a une signification différente en médecine, voir l’histoire du plasma). Sous beaucoup d’aspect, il se comporte comme un gaz, mais quand des forces magnétiques et électriques sont présentes, d’autres propriétés inhabituelles pour les gaz ordinaires apparaissent.

L’ionosphère au dessus de nos têtes est un plasma. Contrairement à l’air, il conduit l’électricité. En fait l’ionosphère des régions polaires est le siège de courant électriques importants, comme il est précisé dans le paragraphe précédent. Contrairement aux métaux et à l’eau de mer, la conductivité électrique de l'ionosphère est fortement influencée par le champ magnétique de la terre. C’est un plasma plutöt spécial parce que l’ionosphère contient aussi un nombre assez important de molécules neutres avec lesquelles les ions et les électrons entrent constamment en collisions.

 A l’opposé, les collisions sont extrêmement rares dans le vent solaire. S’il était un gaz ordinaire, ou si la terre manquait de champ magnétique, le vent solaire pénètrerait de toute part le sommet de l’atmosphère et aurrait à contourner la terre de la même façon qu’un courant d’eau s’écoule autour d’un rocher. Quelque chose de ce genre arrive sur la planète Venus qui ne semble pas avoir de champ magnétique. Sur terre, cependant, un fort champ magnétique fait front au vent solaire formant un obstacle bien plus grand que la terre elle même. Le vent solaire étant un plasma, il est obligé de contourner le champ magnétique terrestre, créant une large cavité enveloppant la terre : la magnétosphère.

L’explication des phénomènes de l’espace nécessite une bonne compréhension de la physique des plasma. Malheureusement, aucun laboratoire ne peut reproduire les immenses dimensions et le très faible taux de collisions que l’on trouve dans les plasmas de l’espace. Le comportement de tels plasmas peuvent parfois être simulés par les ordinateurs, mais à la fin, pour se figurer ce qui arrive vraiment, il faut envoyer des instruments dans l’espace et étudier leurs observations.

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