Aparté

C’est en partie James Clerk Maxwell au 19e siècle qui est à l’origine de la théorie des ondes électromagnétiques et donc de la théorie de la lumière. Physicien et mathématicien écossais, il est aujourd’hui reconnu comme étant le physicien qui a eu le plus d’influence sur la physique du 20e siècle, comme Einstein et Newton.

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell

Maxwell a unifié les théories du magnétisme, de l’électricité et de l’induction. Ces travaux ont permis l’avènement des fameuses équations, qui portent maintenant son nom, qui décrivent l’interaction électromagnétique, une des 4 principales interactions de l’Univers.

Les 4 interactions fondamentales

L’organisation de la matière, en structures plus ou moins complexes, est rendue possible grâce à l’existence de quatre forces, aussi appelées interactions, fondamentales. L’intensité relative et le comportement de ces 4 interactions sont différents pour chacune d’entre elles. De plus, elles agissent à différentes échelles dans l’Univers, du niveau macroscopique (grandes échelles) au niveau microscopique (petites échelles).

  • La force de gravitation

La plus familière de toutes est l’interaction gravitationnelle. La force gravitationnelle est une force attractive dont l’intensité décroît avec le carré de la distance. Cette interaction, dont l’intensité relative est faible, est responsable des grandes structures comme les planètes, les étoiles et les galaxies. C’est aussi la force gravitationnelle qui décide du destin ultime de l’Univers. Elle fait intervenir la MASSE qui est une quantité positive. L’interaction gravitationnelle est présente partout dans l’Univers !

  • La force électromagnétique

À une échelle plus réduite, on retrouve la signature de l’interaction électromagnétique. La théorie décrivant les interactions électromagnétiques est un autre exemple de simplification dans le domaine de la physique. Elle regroupe dans une description uniforme, les phénomènes faisant intervenir les charges électriques, leurs déplacements (les courants), ainsi que le rayonnement électromagnétique (la lumière) et les champs magnétiques qui sont souvent engendrés par ces déplacements. Cette force est de nature attractive ou répulsive, dépendamment des charges électriques en cause (attractive si les charges sont de signe opposé et répulsive si les charges sont de même signe), et son intensité (relativement plus grande que celle de la force gravitationnelle) décroît, elle aussi, avec le carré de la distance. Cette interaction gouverne le mouvement des électrons autour du noyau atomique. Elle assure aussi la cohésion des liens entre les atomes à l’intérieur des molécules, des cristaux, des cellules, etc. C’est grâce à la force électromagnétique que la lumière, sous tous ses aspects (radio, visible, rayon-X, etc.) existe.

  • Les forces nucléaires faible et forte

Il existe deux interactions appelées interaction nucléaire faible et interaction nucléaire forte. Bien que les intensités relatives de ces deux forces soient très grandes si on les compare à celles des deux précédentes, leur existence n’est connue que depuis peu de temps, car ces interactions n’agissent qu’à l’intérieur des noyaux atomiques, sur des distances très petites. Ces forces sont responsables de la stabilité des noyaux, ainsi que celle des protons et des neutrons. Elles permettent de comprendre les phénomènes de fusion et de fission des noyaux atomiques de même que la radioactivité qui en découle. Ces interactions ont joué un rôle primordial dans les premiers instants qui ont suivi la création de l’Univers par le Big Bang. Elles sont aussi importantes pour comprendre correctement les phénomènes de fusion au cœur des étoiles ainsi que les phases évolutives finales de ces dernières.

Les équations de Maxwell

Les équations de Maxwell décrivent donc l’interaction électromagnétique. Mais Mon but, ici, n’est pas de d’écrire les équations de Maxwell qui régissent mathématiquement les lois de l’électromagnétisme, mais plutôt de les comprendre de façon intuitive. Pour les férus de physique et de mathématiques, vous trouverez des tas de sites sur le web qui décrivent les 4 lois fondamentales !

On peut résumer les équations de Maxwell par 2 notions très simples à comprendre.

La première est la suivante : si je dépose une charge (une particule chargée par exemple), dans l’espace, je créé automatiquement un champ électrique.

La deuxième notion : si maintenant je déplace cette charge dans l’espace, je crée alors un champ magnétique qui fera à son tour varier le champ électrique.

La présence et le mouvement d’une charge est donc à l’origine d’un champ électromagnétique (électrique + magnétique) qui servira de support à l’onde électromagnétique. Cela est très différent des ondes mécaniques classiques tels que les mouvements des spires d’un ressort, les mouvements des vagues à la surface de l’eau ou encore la propagation du son dans l’air qui nécessitent obligatoirement un support (ressort, eau et air respectivement) pour se propager.

Maxwell a réussi à montrer que ces 2 notions (présence qu’une charge électrique et son mouvement) sont à l’origine de tous les phénomènes électromagnétiques : de la propagation de la lumière, de l’émission à la réception des ondes radios ou téléphoniques, à la protection magnétique de la Terre etc… etc…Il a réussi à faire tomber le dogme de l’éther (support inventé par les physiciens, d’avant son époque, pour expliquer la propagation de la lumière dans le vide).

Les ondes électromagnétiques

Notons qu’il ne faut pas confondre le son qui est le résultat de la propagation d’ondes mécaniques (variations de pression de l’air, ou variation de l’écartement des spires d’un ressort) et les ondes radio qui sont des ondes électromagnétiques.

À l’exception de leur énergie, toutes les ondes électromagnétiques, quel que soit le domaine du spectre, ont les mêmes propriétés :

  • Les ondes électromagnétiques ne nécessitent aucun support matériel pour se propager. Elles peuvent donc voyager dans le vide. C’est la beauté des équations de Maxwell, qui donne l’essence même des ondes électromagnétiques. Ce n’est pas le cas pour les ondes mécaniques sonores ou les ondes mécaniques à la surface de l’eau.
  • La vitesse de déplacement est constante et la même (la vitesse de la lumière : 299 792 458 m/sec) pour toutes les ondes électromagnétiques.

Le spectre électromagnétique

Suivant leur énergie (leur fréquence ou longueur d’onde), les ondes électromagnétiques portent différents noms comme indiqué sur le schéma ci-dessous. Vous noterez que le domaine des longueurs d’onde visible (lumière visible) est très petit. La figure d’après vous montre les différents appareils de la vie de tous les jours qui utilisent le rayonnement électromagnétique pour fonctionner. Ils sont très nombreux ! Vous remarquerez que plus les longueurs d’onde sont basses, plus les fréquences sont élevées et plus l’énergie des ondes est grande.

Spectre électromagnétique et longueur d'onde

Spectre électromagnétique (C) INRS

Le spectre électromagnétique de la la lumière visible est très petit. Voici une représentation artistique de la lumière depuis le rouge jusqu’au violet.

Le spectre lumineux visible

Représentation artistique du spectre lumineux visible

Les dangers/risques des ondes électromagnétiques

Il est clair que les ondes électromagnétiques peuvent entrer en interaction avec les humains puisque globalement nous sommes faits d’atomes et de molécules pouvant être relativement chargés ! Mais ce qui est moins clair, ce sont les conséquences des ondes avec le corps humains. Nous sommes entourés d’appareils qui génèrent des ondes électromagnétiques : des routeurs wi-fi, des téléphones cellulaires, les lignes à haute tension d’Hydro-Québec, (et même) des flux de particules qui causent des aurores boréales etc…. Bref nous sommes soumis continuellement à des variations des champs électromagnétiques, mais nous n’avons pas d’indices sur leur effet sur les êtres humains. Il faudra sans aucun doute attendre les résultats d’études médicales plus poussées et à plus grande échelle pour avoir une bonne idée si de tels risques existent pour rassurer une partie de la population. Mais souvent, le "principe de précaution" est le meilleur moyen de prendre le temps de comprendre les tenants et aboutissant d’un sujet. "La vitesse souvent tue" et pas seulement sur la route !

Pour aller plus loin, vous trouverez un très bon article sur les risques des ondes électromagnétiques sur le site de cyberpresse : http://bit.ly/At4SH9

Aurores ! Oh des espoirs !

Les aurores boréales sont actuellement à la une de notre ciel en ces derniers mois de 2011 et seront encore plus présentes au cours des 2-3 prochaines années. Les aurores sont directement liées à l’activité de notre étoile le Soleil. En fait, les aurores sont causées par des phénomènes astronomiques qui font intervenir le Soleil, la protection naturelle de la Terre et l’atmosphère terrestre.

D’une façon générale, on parle d’aurores polaires, car celles-ci se forment au pôle sud et au pôle nord magnétiques de notre planète. Ainsi, dans le cas de l’hémisphère nord, on parle d’aurores boréales et dans le cas de l’hémisphère sud, d’aurores australes.

Aurore boréale au dessus du Yukon (C) remiboucherphoto.com

Aurore boréale au dessus du Yukon (C) remiboucherphoto.com

Aurore australe (C) Patrick Cullis

Le Soleil

Le Soleil est une étoile très banale de notre galaxie. Comme beaucoup d’entre elles, il possède un vent solaire : ensemble (plasma) de particules de protons (positifs), de ions positifs et d’électrons éjectés par le Soleil. On considère que le Soleil perd environ 1 000 000 000 de kg par seconde !!! Ça peut paraître une sacré cure de minceur mais comparée à sa masse totale ce n’est pas grand chose (un cent milliardième !). Ce vent solaire est à l’origine de la bulle principale dans laquelle l’ensemble du système solaire est plongé : l’héliopause. Mais le Soleil n’est pas qu’une simple boule de gaz qui perd de la masse, c’est aussi une formidable usine d’énergie en mouvement perpétuel dont l’activité est ponctuée de fréquentes éruptions solaires qui relâchent des surplus de particules chargées. Ces activités sont rythmées par un cycle solaire d’une durée d’environ 11 années, dont le minimum a été atteint en 2009 et qui est en train de reprendre de plus belle cette année et pour les 2-3 prochaines années. Les éruptions seront plus fréquentes et plus fortes.

La Terre et sa protection naturelle.

À 149 millions de kilomètres du Soleil se trouve notre planète Terre. La Terre possède une atmosphère qui nous permet de respirer, en y trouvant notre oxygène, et autres éléments chimiques nécessaires à la vie (azote, hydrogène, etc…) ou de nous protéger, comme le fait l’ozone avec les radiations UV du Soleil. Mais la Terre est aussi un gros aimant. Les mouvements internes du noyau de la Terre ont pour effet de créer un champ magnétique (la magnétosphère) qui prévient toute "attaque" des flux de particules chargées du Soleil, comme le montre l’image suivante.

La Terre est un aimant (C) NASA

La Terre est un aimant (C) NASA

Les pôles nord et sud magnétiques, sont inclinés de 11,5 degrés par rapport à l’axe de rotation de la Terre qui détermine les pôles nord et sud géographiques. Le pôle nord (et incidemment le pôle sud) magnétique dérive tranquillement au cours du temps. Actuellement, il est très au nord des dernières côtes canadiennes et se dirige vers la Sibérie, qu’il atteindra en 2060 !!

La vitesse des aurores !

Le flux de particules chargées arrive donc du Soleil, lors d’éruptions, et vient parcourir les lignes de champs magnétiques de la magnétosphère. Ne pouvant traverser les lignes de front, les particules glissent et se dirigent alors vers les pôles magnétiques. C’est à ces endroits, précisément, que les particules chargées rentrent en collision avec les particules qui composent notre atmosphère : l’azote, l’oxygène et l’hydrogène principalement. De ces interactions naissent les formidables rideaux colorés (en fonction d’éléments présents et de l’altitude à laquelle elles se produisent) que l’on aperçoit par beau temps dans le nord, et même jusqu’à Montréal, si l’éruption est très forte et qu’il n’y pas de pollution lumineuse !!!

Juste pour finir, il est possible de prédire les aurores quelques jours avant qu’elles ne se forment sur Terre avec des calculs très simples. En fait, le vent solaire possède une vitesse variant de 200 à 1000 km/s, soit 720 000 à 2.8 millions de km/h !!! Comme le Soleil est à 149 millions de kilomètres de la Terre, un rapide calcul nous donne des temps d’arrivée sur Terre de l’ordre de 2 à 4 jours. Il ne reste plus qu’à regarder le Soleil en permanence (ce que fait le satellite SOHO) pour avoir une météo spatiale complète !

Aurores vues depuis la station spatiale internationale (ISS, en anglais !) à quelques centaines de kilomètres au dessus de l’atmosphère :

Animation résumant en 40 secondes le phénomène des aurores ((C) SOHO NASA)

Les liens utiles pour suivre les aurores :

Alertes :

  • Twitter (en français) @OMM_Officiel (Observatoire du Mont-Mégantic), @asc_csa (agence spatiale canadienne)
  • Twitter (en anglais) @AuroraMAX,@csa_asc (Canada space agency)

Météo spatiale :

Au clair de la Terre, mon amie Pierrette !

Mais comment la Lune fait-elle pour nous éclairer ? D’où vient le clair de Lune ?

La Lune en HD à l'Observatoire du Mont Mégantic

La Lune en HD à l'Observatoire du Mont Mégantic (C) OPIOMM

La Lune est notre satellite naturel (à différencier des satellites non-naturels envoyés par les humains qui servent à obtenir la météo, des images de la Terre ou de l’espace, etc…). Elle tourne autour de notre planète Terre, qui elle même tourne autour du Soleil. Donc voici la réponse à notre question ci-dessus : c’est le Soleil qui éclaire la Lune. La Lune, "simple" satellite, est un astre qui n’émet pas de lumière, par contre elle réfléchit la lumière du Soleil comme un gros miroir. Lorsque la Lune tourne autour de la Terre, elle se retrouve éclairée sous différents angles ce qui nous permet de voir des phases de la Lune comme le montre l’animation suivante :

Dans cette animation, on remarquera les phases importantes :

  • la phase de nouvelle Lune (New Moon) : le côté de la Lune qui fait face à la Terre n’est pas éclairé. C’est aussi une des configurations possibles pour avoir une éclipse de Soleil quand l’alignement Terre-Lune-Soleil est parfait et que l’ombre de la Lune se dépose sur la Terre.
  • la phase de premier quartier ascendant (Waxing Moon) : le croissant de Lune, vu depuis la Terre, grandit. Il n’est pas rare de voir la lumière cendrée de la Lune !
  • la phase de premier quartier (First Quarter) : la Lune forme un beau D majuscule (dans l’hémisphère nord). Pour se rappeler que c’est le 1er quartier, alignez verticalement votre index sur le côté gauche de la Lune, comme sur la barre d’un "D", pour y former la lettre "p" pour premier quartier.
  • la phase de Lune "gibbeuse" ascendante ou Lune "bossue" ascendante (Waxing gibbous Moon).
  • la phase de pleine Lune (Full Moon) : faites attention aux loups-garous ! ;-) C’est aussi une des configurations possibles pour avoir une éclipse de Lune quand l’alignement Lune-Terre-Soleil est parfait et que la Lune passe dans l’ombre de la Terre.
  • la phase de Lune bossue descendante (Waning gibbous Moon).
  • la phase de dernier quartier (Last Quarter) : la Lune forme un beau D inversé majuscule (dans l’hémisphère nord). Pour vous rappeler que c’est le dernier quartier, posez votre index sur la barre du "D" inversé et vous y formerez la lettre "d" minuscule pour dernier quartier.
  • et la phase de dernier quartier descendant (Waning Moon).
La lune, grand miroir, renvoie donc principalement la lumière du Soleil vers la Terre. Elle ne nous éclaire pas de sa lumière mais bien de la lumière du Soleil ! Toute fois, quand elle est dans les tous premiers jours de sa phase gibbeuse ascendante, la partie non éclairée par le Soleil – de l’autre côté du mince croissant – est en fait visible car éclairée par la lumière du Soleil réfléchit par… la Terre ! C’est la lumière cendrée de la Lune, qui n’est autre qu’un clair de Terre sur la Lune.

Lumière cendrée (C) FAAQ

Les astronautes ont donc pu chanter, sur la Lune, la célèbre mélodie légèrement modifiée :
Au clair de la Terre, mon amie Pierrette
Prête moi ta lume pour écrire un mot…..(ah j’entends déjà vos commentaires !) ;-)