Activité 1 : Rayonnements et absorption par l'atmosphère - Correction Objectifs : Extraire et exploiter des informations sur l'absorption des rayonnements par l'atmosphère terrestre. Connaitre des sources de rayonnement (radio, infrarouge et ultraviolet). I ) Les fenêtres atmosphériques L'atmosphère est essentielle à la vie mais dans le domaine de l'observation (astronomie) elle devient gênante. Lire attentivement les documents ci-dessous et répondre aux questions qui suivent. Documents à étudier La plupart des sources célestes émettent des rayonnements électromagnétiques dans tous les domaines de longueur d'onde λ. Le Soleil étant un corps chaud il a un spectre étandu. 400 nm 800 nm L'atmosphère terrestre L émission d'ondes électromagnétiques par le Soleil est bien modélisée par un corps noir à 5800 Kelvin. Le pic d émission est dans le vert (λ 500 nm), et la répartition du rayonnement est à peu près pour moitié dans la lumière visible, pour moitié dans l'infrarouge, avec 1% d'ultraviolets. Arrivé au niveau de la mer, c'est-à-dire ayant traversé toute l'atmosphère terrestre, le rayonnement solaire a subi plusieurs «filtrations». On peut repérer notamment sur le spectre ci-dessous les bandes d'absorption de l'ozone (connu pour stopper une bonne partie des ultraviolets), du dioxygène, du dioxyde de carbone et de l'eau. Absorption optique L absorption optique est une autre propriété importante de l'atmosphère. Différentes molécules absorbent différentes longueurs d'onde de radiations. Par exemple, l'o 2 et l'o 3 absorbent presque toutes les longueurs d'onde inférieures à 300 nanomètres. L'eau (H 2 O) absorbe la plupart des longueurs d'onde au-dessus de 700 nm, mais cela dépend de la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Quand les spectres d'absorption des gaz de l'atmosphère sont combinés, il reste des «fenêtres» de faible opacité, autorisant le passage de certaines bandes lumineuses. La fenêtre optique va d'environ 300 nm (ultraviolet-c) jusqu'aux longueurs d'onde que les humains peuvent voir, la lumière visible (communément appelé lumière), à environ 400 700 nm et continue jusqu'aux infrarouges vers environ 1100 nm. Il y a aussi des fenêtres atmosphériques qui transmettent certaines ondes infrarouges et radio sur des longueurs d'onde plus importantes. Par exemple, la fenêtre radio s'étend sur des longueurs d'onde allant de un centimètre à environ onze mètres. Source internet :http://fr.wikipedia.org
Le défi du spatial pour s affranchir des limites terrestres L atmosphère terrestre est une limite aux observations dans l infrarouge. La vapeur d eau est le principal agent bloquant. Elle absorbe la lumière infrarouge venue des astres et la rediffuse dans l atmosphère. C est le même principe que l effet de serre qui bloque la fuite du rayonnement infrarouge de la Terre. En limitant la quantité de lumière infrarouge, la vapeur d eau limite la sensibilité des télescopes terrestres ; les objets célestes les moins intenses, soit peu lumineux soit très distants, sont ainsi difficilement détectables depuis le sol. Pour s affranchir de cette limite, les astronomes placent leurs télescopes sur des hauts plateaux désertiques et secs (ex : à 5000 m dans désert de l Atacama au Chili où à Hawaï au Mauna Kéa où encore au Pic du Midi en France) ou au-dessus de l atmosphère en orbite. Ce second choix est plus coûteux, limite la taille du télescope à la capacité du lanceur et sa durée de vie à la quantité d hélium embarqué. Néanmoins malgré ces limites, le gain en sensibilité dans l espace est prodigieux ce qui permet de cartographier de très vastes zones célestes en un temps de pose raisonnable. Source internet compilées: http://www.herschel.fr Opacity Télescope spatial Un télescope spatial est un télescope placé au-delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son homologue terrestre de ne pas être perturbé par l'atmosphère terrestre. Celle-ci déforme le rayonnement lumineux dans le visible (voir photographie ci-dessous) Avantages du télescope spatial Plusieurs phénomènes constituent des freins à l'observation astronomique depuis le sol : la turbulence naturelle de l'air, qui perturbe le cheminement des photons et réduit la qualité de l'image, limite la résolution aux environs d'une seconde d'arc même si certains télescopes terrestres (tel que le Very Large Telescope) peuvent contrebalancer les turbulences grâce à leur optique adaptative. Dans le domaine du rayonnement visible, un télescope spatial peut observer un objet cent fois moins lumineux que ce qui peut être techniquement observable depuis le sol. En outre, une grande partie du spectre électromagnétique est complètement (Gamma, X, etc.) ou partiellement (infrarouge et ultraviolet) absorbée par l'atmosphère et ne peut donc être observée que depuis l'espace. L'observation lumineuse depuis le sol est également de plus en plus handicapée par la pollution lumineuse due aux nombreuses sources de lumière artificielles1. Seuls le rayonnement visible et les fréquences radios ne pas atténués par l atmosphère terrestre. L'astronomie spatiale joue un rôle essentiel pour les autres longueurs d'onde. Source internet compilées:http://fr.wikipedia.org Image gauche : étoile photographiée avec un télescope terrestre Image droite : même photographie mais avec un télescope spatiale. On voit en fait que l'étoile est double.
Questions 1 ) Sur la première image, donner les valeurs des longueurs d'onde λ de la lumière visible (approximativement). Le domaine visible s'étend de 400 nm à 800 nm environ (certain disent jusqu'à 700 nm, les frontières ne sont précises) 2 ) Rappeler la loi de Wien (voir 1ère S) et vérifier que le pic d'émission du Soleil se trouve bien dans le jaune. Donnée : constante de Wien : σ = 2,898 10-3 m.k Un corps chauffé émet un rayonnement dont la position (en longueur d'onde) du pic d'intensité dépend directement de la température. La loi de Wien traduit directement ce phénomène. Loi de Wien : λ max T = σ λ max est la longueur d'onde du pic (maximum d'intensité) Pour s'en convaincre voici ci-dessous l'image de 2 types de soudure : Soudure au plasma T 10000 K Soudure aluminothermique T 3000 K On voit que selon la température, la couleur n'est pas la même. Si on applique la loi de Wien au Soleil, nous obtenons : T soleil = 5800 K donc le pic d'émission se situe à λ max = σ T = 2,898 10 3 =499,6 nm ce qui se trouve dans le vert. 5800 Le Soleil nous apparaît jaune à cause de l'atmosphère. Par contre les astronautes le voient blanc car son pic se trouve dans le vert mais comme il rayonne également dans les autres couleurs, le mélange fait qu'il apparaît blanc. Appliquons la loi de Wien au corps humain : T humain = 37 C = 310 K cela donne λ max = σ 2,898 10 3 = =9,35 10 3 nm T 310 cela se situe dans l'infrarouge (donc invisible pour nos yeux). D où le nom des caméras infrarouges.
3 ) D'après cette loi les sources chaudes rayonnent dans quelle partie du spectre? Même question pour les sources froides. D'après cette loi λ max = σ T si T est élevée alors λ max est faible (fonction inverse y= 1 x petites longueurs d'onde, couleur bleue. ) et donc ça rayonne dans les D'après cette loi λ max = σ T si T est faible alors λ max est élevée et donc ça rayonne dans les grandes longueurs d'onde, couleur rouge. Donc les étoiles bleue sont plus chaudes que les rouges (le Soleil est une étoile moyenne en température) 4 ) Pour quels types de rayonnements du spectre électromagnétique, l observation au sol est-elle possible? D'après les documents, le visible et le domaine radio ne sont pas absorbés par l'atmosphère. 5 ) L observation au sol dans l infrarouge nécessite des conditions particulières. Lesquelles? Pour quelle raison? Dans l atmosphère quelles molécules absorbent les U.V? Les infrarouges peuvent traverser un peu l atmosphère mais dans les endroits secs car les molécules d'eau les absorbent et aussi en haute altitude (car la température y est plus basse et donc l'humidité plus faible) 6 ) Où placer les télescopes pour pouvoir accéder à l ensemble du spectre électromagnétique? Pour accéder à l'ensemble du spectre, il faut absolument pouvoir s affranchir de l'atmosphère. Pour cela il faut aller au delà, on place donc des télescopes en orbite. 7 ) Si le rayonnement visible arrive jusqu'au sol, quelle est l'utilité des télescopes spatiaux travaillant dans le visible? L'atmosphère perturbe l'observation car elle n'est pas statique, des vents de haute altitude, de la poussière des variations rapide de l'indice optique font que les étoiles scintillent alors qu'elle ne devrait pas. Ce phénomène s'appelle la turbulence atmosphérique et limite grandement la précision des télescopes. Donc pour éviter ce problème, on envoie aussi des télescopes opérant dans le visible. L'exemple le plus célèbre est Hubble. Exemple ci-dessous, l'image de pluton observée avec un télescope terrestre pourtant plus grand que Hubble (HST = Hubble space telescope), on voit directement que l'image est meilleure avec un télescope spatiale. 8 ) Pourquoi est-ce que les scientifiques continuent de construire des observatoires terrestres? C'est principalement une histoire de prix. Le télescopes spatiale Hubble à couté plis d'1 milliard de dollars. Pour ce prix on peut très bien avoir au sol un télescope plus grand. 9 ) Donner des exemples de sources rayonnements dans les différents domaines du spectre électromagnétique. Visible : le Soleil, une lampe... I.R : Soleil, un chauffage, corps «froids» en température température de 3000 K. U.V : Soleil, lampe de bronzage, les corps chaud de température de 10 000 K.
Rayonnement γ (gamma) : radioactivité, Soleil, rayons cosmiques. Radio : Soleil, antennes, téléphone portables Rayon X : Soleil, radiographie médicale. Micros ondes : four à micro ondes, radar, téléphone portable. 10 ) Écrire une synthèse des documents présentés en quelques lignes. L'atmosphère bien qu'utile à la vie sur notre planète, gène les observations des objets célestes dans plusieurs domaines du spectre électromagnétique. Elle ne laisse passer que le rayonnement visible et les ondes radio, le reste est absorbé. Néanmoins, les infrarouges peuvent être étudiés dans les milieux secs pour éviter l'eau qui est responsable de son absorption. Quand au domaine visible, la turbulence atmosphérique dégrade la qualité des images. Pour toutes ces raisons, les scientifiques envoient des satellites au dessus de l'atmosphère pour étudier l'ensemble du spectre électromagnétique.