Ondes et matière : Rayonnements dans l'Univers - Physique Chimie - Terminale S

Ondes et matière : Rayonnements dans l'Univers - Physique Chimie - Terminale S

Nous mettons à votre disposition ce cours de Physique Chimie niveau Terminale S, rédigé par notre professeur, qui porte sur le chapitre intitulé "Rayonnements dans l'Univers". Ce chapitre fait partie du thème "Ondes et particules".

La terre est constamment frappée par des rayonnements provenant de notre système solaire, de notre galaxie ou même au-delà. Malgré ces rayonnements pour la plupart mortels pour l'homme, la vie a pu se développer sur notre planète grâce à son atmosphère. Dans ce cours de Physique Chimie, vous aborderez les sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet, et vous verrez également les notions d'absorption de rayonnements par l'atmosphère.

Téléchargez gratuitement ci-dessous ce cours de Physique Chimie sur les rayonnements dans l'Univers pour le Bac S !

Ondes et matière : Rayonnements dans l'Univers - Physique Chimie - Terminale S

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Prérequis

Pour bien appréhender et comprendre ce cours, il est conseillé de d'abord consulter les cours sur l'onde et la matière ainsi que la radioactivité afin de bien comprendre ce qu'est un rayonnement.

Objectifs

  • Connaître des sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet.
  • Extraire et exploiter des informations sur l'absorption de rayonnements par l'atmosphère terrestre.

I. Les sources de rayonnement dans l'Univers

Définition - Rayonnement :

Processus d'émission ou de transmission d'énergie sous forme de particules ou d'ondes électromagnétiques, ou d'ondes acoustiques. Le spectre des ondes électromagnétiques est composé d'une infinité de radiations, chacune est caractérisée par sa longueur d'onde dans le vide.

A. Les étoiles

Le rayonnement d'une étoile (comme le Soleil) est constitué de l'ensemble des ondes électromagnétiques produites allant de l'ultraviolet lointain, comme les rayons gamma, aux ondes radio en passant par la lumière visible, mais aussi de toutes les particules projetées dans l'espace qui constituent le vent stellaire. Ce dernier est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons. Pour le soleil on parle de vent solaire.

B. Les Supernovas

Une supernova est une étoile au moins dix fois plus massive que notre soleil qui, au terme de sa vie stellaire s'effondre sur elle-même pour ensuite exploser avec une énorme intensité. C'est un phénomène extrêmement lumineux durant plusieurs semaines qui depuis la Terre peut apparaitre comme une nouvelle étoile très brillante. L'énergie déployée est telle qu'elle représente plus d'énergie que peut émettre plusieurs galaxies !

Les restes de supernova constituent l'une des principales sources d'énergie entretenant l'agitation du milieu interstellaire (avec le rayonnement des étoiles et les vents stellaires). Ils sont également responsables de l'enrichissement du milieu interstellaire et intergalactique en dispersant les éléments lourds synthétisés par les supernovas. Les débris stellaires occasionnés et le milieu environnant deviennent de puissants émetteurs de rayons X.

Les supernovas sont aussi sources de rayon gamma, rayonnements très puissants comme les rayons X et très dangereux pour l'homme de par leur forte pénétration et leur capacité à briser les liaisons atomiques en tant que rayon ionisant. Un photon de rayon gamma possède plus d'énergie qu'un million de photon de lumière visible.

C. Les Pulsars

Ce sont des étoiles à neutrons (étoile en fin d´évolution, très dense et de très faible diamètre) en rotation rapide sur elle-même qui résultent d'une supernova. Elles peuvent émettre des rayons X et des ondes radios avec une période constante comprise entre 1 milliseconde et quelques secondes.

D. Les Planètes

Elles émettent principalement des rayonnements infrarouges et diffusent une partie des rayonnements reçus de leur étoile comme la lumière.

E. Les nébuleuses

Ce sont des nuages formés de gaz et de poussière interstellaire dont la luminescence est provoquée par l'excitation du rayonnement d'une ou plusieurs étoiles jeunes et de fortes températures à proximités. En effet, seules les étoiles massives et chaudes peuvent fournir la quantité d'énergie exigée pour ioniser une partie significative d'un nuage interstellaire par les photons à grande énergie émis. Suivant leur situation et leur catégorie, les nébuleuses émettent différent type de rayonnement allant des ondes radio au visible en passant par les infrarouges et les ondes radio.

II. La Terre face aux rayonnements de l'Univers

De par les nombreuses sources de rayonnements dans l'univers, la Terre est soumise à la fois à des rayonnements énergétiques et à des rayonnements composés de particules chargées. Heureusement pour nous, notre planète est équipée de deux boucliers particulièrement efficaces contre ces agressions.

A. Le champ magnétique terrestre

Le champ magnétique terrestre permet à la vie de se développer sur Terre, il est le rempart contre les rayonnements chargés venant de l'univers. Il forme un champ protecteur faisant partit d'un vaste ensemble qui entoure la Terre et qu'on appelle la magnétosphère. Cette dernière permet de dévier les particules mortelles émises par l'univers, et notamment par notre soleil. En effet, bien que permettant la vie, le soleil émet aussi constamment ce qu'on appelle le vent solaire et qui est un flux de plasma mortel, composé essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du soleil. Lorsque les particules du vent solaire atteignent notre planète, la plupart sont déviées par le champ magnétique et contournent la magnétosphère. Elles peuvent cependant parfois pénétrer au niveau des pôles et donnent alors naissance à des phénomènes lumineux appelés aurores boréales.

B. L'atmosphère terrestre

1. Composition

L'une des caractéristiques qui distinguent notre planète des autres planètes du système solaire est la composition particulière de son atmosphère. Cette dernière est composée de 78% d'azote, 21% d'oxygène et minoritairement par des gaz rares comme l'argon, des gaz carboniques, de l'ozone (O3), de la vapeur d'eau et de traces d'autres constituants, sans oublier de nombreuses particules en suspension. Par comparaison, Vénus et Mars ont plutôt une atmosphère composée essentiellement de gaz carbonique avec seulement un peu d'azote et des traces d'oxygène.

Sans le champ magnétique protégeant la planète, l'atmosphère aurait été balayée par les vents solaires depuis bien longtemps et empêchant ainsi la vie de se développer.

Attention !

Dans le langage courant, on parle de l'atmosphère comme étant composée d'azote et d'oxygène, mais plus précisément il s'agit de diazote (N2) et de dioxygène (O2), l'homme ne pouvant pas respirer de l'oxygène monoatomique.

2. Absorption et diffusion des rayonnements

Les composants de l'atmosphère terrestres n'absorbent pas tous les rayonnements, cela dépend de leur longueur d'onde. L'atmosphère laisse principalement passer les rayonnements visibles et proches du visible (ultraviolet de grande longueur d'onde et infrarouge de faible longueur d'onde), ainsi que les ondes radio. Il est ainsi possible pour quelqu'un sur terre de voir les étoiles et les planètes qui émettent dans le visible. Il est également possible de recevoir et d'émettre des ondes radio rendant possible l'usage de satellite de communication. Enfin, grâce au passage des rayonnements UV et IR, la Terre est chauffée par le soleil et permet à la vie de se développer. A l'inverse, l'observation de l'espace depuis la Terre n'est pas possible pour d'autres longueurs d'onde. On ne peut pas observer d'étoiles à neutrons qui émettent dans la région des rayons X. Ces derniers ne pouvant pénétrer l'atmosphère.

3. Fonctionnement de l'atmosphère

L'atmosphère sert de rempart contre les rayonnements de deux manières :

  • Par réflexion de la lumière

Il s'agit de la diffusion de la lumière reçue par le soleil par l'air. Une partie de cette lumière est diffusée vers la Terre et une autre est diffusée vers l'espace. C'est pourquoi nous voyons le ciel bleu.

  • Par absorbions de l'énergie

Au fur et à mesure de leur pénétration dans l'atmosphère, les rayonnements solaires rencontrent les différentes molécules atmosphériques et les photons se font progressivement absorbés. Globalement, c'est l'oxygène qui absorbe les radiations les plus énergétiques. L'absorption des radiations ultraviolettes est assurée par l'ozone et l'absorption des radiations du proche infrarouge est principalement réalisée par la vapeur d'eau.

Note : Le dioxyde de carbone tout comme les autres gaz à effet de serre absorbe particulièrement bien dans l'infrarouge et ré-émet dans la même région du spectre électromagnétique. Le problème c'est qu'un photon sur deux en moyenne est ré-émis vers la terre causant ainsi son réchauffement, c'est l'effet de serre.

4. Observation des sources de rayonnements dans l'univers

Malgré l'impossibilité de pouvoir observer certain rayonnement en se trouvant sur Terre, l'utilisation de télescopes spatiaux comme Hubble ou de satellites équipés se trouvant au-delà de cette dernière a permis de surmonter cette difficulté.

Grace à la construction de détecteurs pour les rayonnements de chacun des domaines du spectre électromagnétique, il est maintenant possible d'observer les différents constituants de notre galaxie et des galaxies voisines. Les raies d'absorption dans le spectre d'émission d'une étoile renseignant sur les éléments chimiques de son atmosphère.

Le petit + dans ta copie

Le dioxyde de carbone tout comme les autres gaz à effet de serre absorbe particulièrement bien dans l'infrarouge et ré-émet dans la même région du spectre électromagnétique. Le problème c'est qu'un photon sur deux en moyenne est ré-émis vers la Terre causant ainsi son réchauffement, c'est l'effet de serre...

Pour aller plus loin ...

Si vous voulez voir quels effets pourraient avoir les vents solaires, vous pouvez regarder le film Prédictions avec Nicolas Cage.

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