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Introduction 3 mars 2017

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La couleur du ciel vient de la même manière dont les rayons du soleil sont transmis par l’atmosphère terrestre. La magnétosphère arrête les particules ionisées du soleil, l’atmosphère arrête les ultraviolets grâce à la couche d’ozone et les infrarouges grâce à l’humidité de l’air mais elle laisse passer la lumière blanche.

 

La lumière blanche produite par le soleil est constituée de l’ensemble de toutes les couleurs dont la somme forme le blanc ( synthèse additive des couleurs ). Les photons, petites particules de lumière, transportent chacun une couleur déterminée. Comme ils sont produis dans les mêmes proportions et au même instant, les photons se mélangent pour former la lumière blanche. Un photon peut être considéré comme une particule ou bien comme une onde ( dualité onde-corpuscule ). Une onde se caractérise par sa longueur d’onde. Le bleu a une longueur d’onde de 446 nm alors que le rouge possède une longueur d’onde de 750 nm. Ainsi à chaque couleur est associée une longueur d’onde particulière.

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Spectre de la lumière blanche.

Diffusion des couleurs

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Les lois de Rayleigh nous apprennent que les particules diffusent les ondes dont la longueur est plus petite que la taille de ces même particules, c’est-à-dire que les ondes rebondissent successivement sur les molécules d’air. L’intensité de la couleur diffusée est inversement proportionnelle à la puissance quatrième de sa longueur d’onde. Or les molécules de l’atmosphère: oxygène, azote et poussières sont d’une taille proche des longueurs d’ondes lumineuses. Les photons transportant le bleu sont fortement diffusés par l’atmosphère alors que le rouge ne l’est pas.

 

Intensité de diffusion du bleu: Ib=1/(446*10^-9)^4=2.52*10^25

Intensité de diffusion du rouge: Ir=1/750*10^-9)^4=3.16*10^24

Le rapport des deux: Ib/Ir=8

Donc la couleur bleu est 8 fois plus diffusée que le rouge.

 

Lorsqu’on regarde le ciel, la lumière qui parvient à notre œil a deux origines distinctes: l’une provient directement du soleil en ligne droite et l’autre suit un parcours chaotique totalement désordonné et imprévisible ( mouvement brownien ) puisque diffusée par l’atmosphère : le bleu nous vient donc de partout. La première est blanche et provoque des ombres crues à cause de sa trajectoire droite provenant du soleil alors que l’autre est dominée par le bleu et ne provoque pas d’ombre car nous arrive de toutes les directions: le ciel. C’est donc la raison de la couleur bleu ciel.

Autres couleurs du ciel

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La lumière qui nous arrive du soleil couchant parcours une bien plus longue distance dans l’atmosphère avant de nous arriver le nombre de molécules sur lesquelles rebondir augmente considérablement, les couleurs bleues et violettes ont eu le temps d’être complètement diffusées. Ainsi, en l’absence des composants bleus et violets, il ne reste que du jaune et du rouge avec un peu de vert dans le ciel, ce qui donne une teinte pourpre.

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Sur la Terre, en altitude, la couche d’atmosphère est plus mince ce qui réduit la diffusion de la lumière blanche. La lumière diffuse constituant le ciel est moins importante, il nous apparaît alors plus foncé. Alors qu’au niveau de la mer, la diffusion plus importante éclaircie le ciel: le bleu est plus diffusé et le vert un peu aussi.

La lune ne possédant pas d’atmosphère ( faible masse ), la lumière du soleil ne subit aucune diffusion. Cette absence de couleur se traduit par un ciel noir dans lequel se détache très visiblement quelques étoiles dont la lumière directe ne subit aucune diffusion.

L’origine

Posté par phenomeneslumineuxdansleciel dans : Aurores polaires , ajouter un commentaire

Il s’écoule deux jours avant que les particules solaires atteignent la Terre.

La Terre est protégée par des ceintures magnétiques qui arrêtent les particules chargées du Soleil. Ces derniers sont alors obligées de contourner ces ceintures magnétiques en rentrent par le pôle nord et le pôle sud magnétiques.

La magnétosphère terrestre sous la pression des vents solaires :magnetosphere_francais_coupe

Définition : une aurore polaire est un phénomène lumineux caractérisé par des voiles extrêmement colorés dans le ciel nocturne, le vert étant prédominant.

La différence est simple entre les aurores boréales et les aurores australes , le nom donné aux aurores polaires varie selon le lieu ou elles se situent. Les aurores boréales sont celles que l’on peut voir au pôle Nord tandis que les aurores australes sont celles que l’on peut voir au pôle Sud.

Les pôles géographiques et pôles magnétiques :

Définition :- Le pôle géographique est le point d’intersection entre l’axe de rotation de la Terre et sa
surface.- Le pôle magnétique est le point de convergence des lignes de champ magnétique. Le pôle nord magnétique terrestre, correspondant au pôle sud du gigantesque aimant que constitue la Terre, est la direction qu’indique les boussoles.

Quand les molécules d’atmosphère arrivent en contact avec certains gaz c’est l’interaction entre les particules solaires et l’atmosphère terrestre , elles produisent des couleurs différentes. Le plus souvent les aurores sont d’une couleur verte. Mais pour qu’elles s’activent, il faut qu’il y ait un certain nombre de particules excitées. Les couleurs observables dans une aurores sont le rouge, le vert et le mauve qui est très rare.

 L’ovale auroral est la zone où il y a le plus de chance d’en voir. Mais parfois, quant-il y a de fortes éruptions, les aurores sont visibles sous les basses latitudes ( latitudes magnétiques par rapport aux pôles magnétiques ).

 

Dans notre planète

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Quand les molécules d’atmosphère arrivent en contact avec certains gaz, elles produisent des couleurs différentes. Le plus souvent les aurores sont d’une couleur verte. Mais pour qu’elles s’activent, il faut qu’il y ait un certain nombre de particules excitées. Les couleurs observables dans les aurores sont le rouge, le vert et le mauve qui est très rare.

 

L’ovale auroral est la zone où il y a le plus de chance d’en avoir. Mais parfois, quand il y a de fortes éruptions, les aurores sont visibles sous les basses latitudes ( latitudes magnétiques par rapport aux pôles magnétiques).

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schéma de l’ovale auroral.

Les régions dans le monde où la probabilité de voir des aurores boréales sont la Norvège, la Suède, la Finlande, le nord de la Russie, l’Alaska et le nord du Canada.

 

Un cas pas unique à la terre

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Il est tout à fait possible de prévoir les aurores boréales.

 

En effet, le satellite  » Soho  » nous envoie des images des éruptions solaires et des trous coronaux qui nous donnent des aurores.  Le trou coronal est une zone d’ombre du soleil.

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Photo du soleil avec ses trous coronaux.

Plusieurs autres satellites nous envoient par la suite plusieurs indications et nous permettent de prévoir la fréquence des aurores.

 

Plusieurs sondes nous ont permis de savoir qu’il se produit également des aurores sur d’autres planètes, comme Jupiter et Saturne. Nous savons que les aurores se forment à leur surface. Ce phénomène n’est donc pas unique dans notre galaxie, mais propre aux planètes avec un magnétisme et une atmosphère.

Présentation

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Tout d’abord, avant même de parler du rayon vert, il faut savoir que la plupart des gens ne connaissent pas le rayon vert, ils n’en ont quasiment jamais entendu parler. C’est un phénomène dont on entend pas parler dans les médias ou autres car il ne se produit que très rarement. Et contrairement à ce que certains pensent, ce n’est pas une illusion d’optique ou l’imagination de notre cerveaux, ce phénomène est bien réel.

Qu’est ce qu’un rayon vert ?

Un rayon vert, est un phénomène optique qui apparaît dans l’atmosphère terrestre assez rarement. Il est observable au lever ou au coucher du soleil et n’est visible que l’espace de quelques secondes, (mise à part aux pôles, lorsque le soleil reste longtemps à l’horizon, où il a été observé près d’une trentaine  de minutes). C’est pourquoi il est préférable de l’observer au coucher du soleil car on ne risque pas d’être surpris par la disparition du soleil, contrairement au lever du soleil, puisqu’on ne sait pas à quel moment il va apparaître. Lorsque le phénomène se produit, le soleil descend sur l’horizon et le dernier rayon que l’on voit est vert, mais il ne se produit que lorsque certaines conditions sont réunis.

rayonvert-lasilla

Conditions d’apparition et d’observation du rayon vert:

Pour voir un rayon vert, il faut des facteurs météos particuliers: le ciel doit être parfaitement dégagé, il ne doit pas y avoir de particules ou de poussières pouvant gêné la visibilité. La présence d’un anticyclone favorise l’observation du phénomène étant donné que l’anticyclone apporte une pression plus forte, c’est à dire une densité d’air plus importante.

La visibilité du rayon est principalement conditionné par 5 facteurs:

 

La position de l’observateur par rapport à l’horizon détermine le temps durant lequel on pourra assister à l’apparition du rayon vert: ce phénomène peut durer une fraction de seconde, ou à l’inverse plus d’une dizaine de secondes. Lorsque l’on se place à quelques mètres au dessus du niveau de la mer et que l’horizon d’Est en Ouest est dégagé, il sera plus facile d’observé un rayon vert. Il faut aussi avoir une grande étendue devant soit pour l’observer, c’est pourquoi il s’observe mieux au bord de l’océan. Il est bien sûr préférable de porter des lunettes solaires, ou sinon on risque de se brûler la rétine, qui est irremplaçable.

Explications

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Une fois que les conditions nécessaires à l’apparition du rayon vert sont réunis, il se produit trois phénomènes :

-Les rayons lumineux se propage en ligne droite, mais lorsqu’ils traversent l’atmosphère qui n’est pas un milieu homogène (composé de divers gaz et de vapeur d’eau) et en traversant les différentes couches composant l’atmosphère, ils sont déviés, ce qui leurs donne une courbure. Certes ce sont de petites déviations, mais l’atmosphère faisant environ 120 km, font qu’au coucher du soleil, on voit encore le soleil alors qu’on ne devrait pas. Tout cela à cause du phénomène de réfraction.

Schéma

La réfraction n’est pas la même selon la longueur d’onde du rayon. Les rayons visibles ont une longueur d’onde comprise entre 400 et 800 nanomètre. Le soleil que l’on voit et la lumière blanche sont une succession de couleur allant du violet (400 nm) au rouge (800 nm), placés les uns à côtés des autres, mais leur intensité étant très forte, notre œil les superpose pour former la lumière blanche.

-Il se produit ensuite l’absorption : elle dépend de la longueur d’onde du rayon, les rayons jaune et orange ayant une grande longueur d’onde sont absorbé par les particules flottant dans l’atmosphère. Lors de l’absorption, les photons sont absorbés par une autre particule et sont ensuite détruit pour être transformé en énergie. Il reste donc le violet, le bleu, le vert et le rouge. On devrait donc voir des rayons violet et bleu, mais le phénomène de diffusion intervient.

-La diffusion intervient pour les rayons ayant une longueur d’onde plus petite (violet et bleu), ils sont diffusés dans l’atmosphère par une interaction avec d’autres objets, c’est notamment pour ça que le ciel est bleu. Les rayons peuvent être diffusés uniformément dans toutes les directions ou non. Les rayons bleu et violet étant diffusés, il ne reste plus que les rayons rouges et verts qui arrivent à notre œil. Le rayon vert étant légèrement au-dessus du rayon rouge est le dernier à disparaître.

TPE2

Différents types de rayons vert

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Les rayons peuvent apparaître sous différentes formes, il en a environ six différents mais seulement deux sont assez communs. Il existe :

-Le Flash associé au mirage inférieur, il a la particularité d’être ovale avec une base aplati et ne dure que 2 secondes. Il faut qu’il y ai une surface plus chaude que l’air adjacent.

 TPE3

-Le Flash du faux mirage, le limbe supérieur du soleil se détache du disque du soleil, il dure environ 2 à 5 secondes, et même parfois jusqu’à 15 secondes. Il faut qu’il y ai une couche d’inversion sous le niveau des yeux

-Le Flash du sous canal, une grande partie du limbe supérieur du soleil couchant reste verte jusqu’à 15 secondes. Il faut qu’il y est une forte inversion thermique.

-Le Rayon vert, le rayon lumineux semble être émis par un phare. Apparaît environ 2 à 3 secondes. Il faut qu’il y ai une brume légère qui agisse comme une source lumineuse.

-Le Rayon vert du sommet des nuages, le rayon lumineux est en général émis en présence de brume côtière mais aussi parfois au-dessus des nuages cumuliformes éloignés, comme le cumulus.

 TPE4

-Pour finir, le Flash d’Alister- Fraser, c’est une variante du faux mirage, les inversions thermiques sont poussés au-dessus du relief par un mécanisme orographique, c’est à dire qu’on peut l’observé au-dessus d’un nuage qui est formé par un soulèvement dû au relief.

Il est le plus rare des flash du rayon vert.

Cas particulier

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Dans tout ces exemples, nous allons en voir un plus en détail : le rayon vert associé au mirage inférieur (les mirages que l’on voit par exemple lorsqu’il fait chaud sur une route). Il est provoqué par un gradient thermique adiabatique au-dessus d’un sol surchauffé.

Un gradient thermique adiabatique (dans l’atmosphère terrestre) correspond à la variation de température de l’air avec l’altitude, qui ne dépend que de la pression atmosphérique :

Par exemple, si l’on considère l’air comme un gaz parfait (dans la troposphère : couche de l’atmosphère la plus proche de la surface du globe), la pression est relativement faible (10^5 pascals) et les molécules n’ont pas d’interactions entre elles autres que des chocs. Donc si une masse d’air n’échange pas de chaleur avec son environnement, sa température ne dépend pas de sa pression : lorsque l’air se comprime, il s’échauffe et lorsqu’il se détend, il refroidit.

 TPE5

Si la température diminue de 6,5° par 1000 m d’altitude, dans certains cas on peut observer une augmentation de la température avec l’altitude. Ici on voit une coupe verticale de masse d’air, à gauche on voit une inversion thermique (dans les basses couches de l’atmosphère) et à droite un gradient thermique adiabatique (au sol). Deux parmi les mécanismes expliquant l’origine des phénomènes associés au rayon vert, tel que les mirages inférieurs.

 TPE6

Plus le lissage de la pente est important (ici il est de 2 mètres), plus le rayon sera apparent.

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