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26 mai 2015 2 26 /05 /mai /2015 07:32

Calendrier spatial et astronomique - Mai - Aurore boréale - Aurore australe - ISS - Corps noir - Loi de Planck - Loi de déplacement de Vite - Alexander Gerst - Magnétosphère

Le calendrier spatial pour le mois de mai 2015. Illustration créée par Gédéon.
Image de fond : une aurore polaire photographiée par Alexander Gerst depuis l’ISS.
Crédit image : NASA / ESA

 

Les grandes dates de la conquête spatiale à retenir pour le mois de mai

Voici le calendrier spatial du mois de mai…

C’est difficile de choisir mais j’ai fait un choix : les trois évènements principaux que j’ai retenus pour le mois de mai sont :

  • Le vol d’Alan Shepard, premier américain à « aller dans l’espace » : Un mois après le vol historique de Youri Gagarine, il effectue un vol suborbital à bord de la capsule Mercury Freedom-7. C’était le 5 mai 1961. Facile ? Pas tant que cela : sa fusée n’avait pas que des succès à son actif… Il sera suivi par John Glenn, premier américain à boucler une orbite.
  • La création de l'ESA, l'Agence Spatiale Européenne, le 31 mai 1975. L’ESA fête ses 40 ans ce mois-ci. On a beaucoup entendu parler d’elle avec l’énorme buzz de la mission Rosetta et de l’atterrisseur Philae mais elle a beaucoup d’autre succès à son actif, qu’il s’agisse d’autres missions scientifiques, de programme opérationnels (Copernicus et la famille de satellites Sentinel), de lanceurs (le nouveau défi à relever : Ariane 6) ou les vols habités (le petit dernier : Thomas Pesquet, qui devrait rejoindre l’ISS en 2016). Bon anniversaire à l’Europe spatiale !
  • Et, « last but not least » sur le blog Un autre regard sur la Terre, le lancement du satellite SPOT 5, mis en orbite le 3 mai 2002 par la fusée Ariane 42P (V-151). Accompagné d’Idefix, SPOT 5 était la 200ème charge utile mise sur orbite par Arianespace. SPOT 5 vient de prendre une retraite active. La première image de SPOT 5, c’est ici. Les dernières images de sa « vie commerciale », c’est là.

 

Lancement satellite SPOT 5 - SPOT 5 launch - Ariane - 42P - V-151 - Première image SPOT 5 - First image - SPOT 5 - Arianespace - CNES - Spot Image - Airbus Defence and Space - Grèce - Eleusis

Mai 2002 : vol Ariane V-151. La fusée Ariane 42 P emporte le satellite SPOT-5 et deux nanosats Idefix.
A droite, quelques jours plus tard, une des premières images prises par SPOT 5 : le port d'Eleusis
en Grèce. Crédit image : Arianespace / CNES.

 

Voici quelques autres dates anniversaires. On remonte à la fin de seconde guerre mondiale pour la création du LRBA et les fusées Véronique dérivées des V2, voire à 1931 pour les premières fusées d’Hermann Oberth en Allemagne :

  • 7 mai 1931 : près de Berlin, l’allemand Hermann Oberth lance sa première fusée à ergols liquides.
  • 17 mai 1946 : création du LRBA (Laboratoire de recherches balistiques et aérodynamiques) à Vernon. Des techniciens allemands, appelés TAP (Techniciens Anciens de Peenemünde) sont rassemblés avec leur famille. Leur rôle ? Etudier et mettre au point les futurs missiles de l’armée française. Saviez-vous que la fusée Véronique tirait son nom de Vernon Electronique ?
  • 18 mai 1969 : lancement d’Apollo 10, ultime mission avant les premiers pas sur la Lune. Le 22 mai, dans le module lunaire Snoopy, Thomas Stafford et Eugene Cernan s’approchent à 15,6 km de la surface lunaire. Un record : les deux hommes à s’approcher au plus près de la Lune sans se poser !
  • 14 mai 1973 : lancement de la station orbitale Skylab.
  • 17 mai 1975 : lancement depuis Kourou des satellites français D-5A et D-5B (Castor et Pollux) par une fusée Diamant BP4 (Kourou).
  • 22 mai 1984 : premier lancement effectué par Arianespace (Spacenet 1).
  • 31 mai 1986 : échec du premier lancement de la fusée Ariane 2 depuis Kourou.
  • 3 mai 2002 : lancement par une fusée Ariane 42P (V-151) du satellite Spot 5.
  • 11 mai 2009 : décollage de la navette STS-125 pour la dernière mission de maintenance du télescope Hubble.
  • 14 mai 2009 : lancement des sondes Herschel et Planck par une fusée Ariane 5 ECA.

 

Aurores polaires

La photographie illustrant notre calendrier du mois de mai ? Une aurore boréale évidemment…

Pas du tout : il s’agit d’une aurore australe. Cette photographie spectaculaire a été prise le 27 août 2014 par l’astronaute européen Alexander Gerst, membre de l’équipage de l’expédition 40 de la Station Spatiale Internationale. A 22:40 UTC, au moment où Alexander appuie sur le déclencheur de son Nikon D3S, l’ISS est à 422 km d’altitude, au niveau de la longitude 71,5°E et de la latitude 51°S. Compte tenu de l’inclinaison de l’orbite de l’ISS, c’est pratiquement le point le plus au sud que peut atteindre la station spatiale.

Il faudra un article plus complet du blog Un autre regard sur la Terre pour parler des aurores boréales ou australes. On y reviendra plus en détail à l’occasion d’un article sur l’environnement spatial.

Trois ingrédients en sont à l’origine :

  • Le vent solaire et ses particules chargées électriquement.
  • Les gaz de la haute atmosphère.
  • Le champ magnétique terrestre.

 

Le latin, chez Fiat c’est du lux

Le soleil a une activité cyclique sur une période de 11 ans. Le vent solaire entraîne des particules chargés qui interagissent avec les gaz des couches supérieures de l’atmosphère de notre planète (l’ionosphère). Les particules chargées (électrons, ions positifs ou protons) suivent les lignes du champ magnétique terrestre et se concentrent à voisinage des régions polaires. Voici une bonne illustration pour vos leçons de physique sur les « atomes excités » : pour retrouver un état stable, un électron change de couche en libérant un peu d’énergie : il émet un photon. Fiat lux comme on disait quand il y avait encore des cours de latin au collège…

 

Magnétosphère et ionosphère : un gueule d’atmosphère ?

La figure suivante illustre ces interactions :

 

Soleil - Activité solaire - CME - Coronal Mass Ejection - Magnétosphère - Ionosphère - Aurores polaires - SOHO - NASA - Space weather - Solar storm

Soleil, vent solaire, atmosphère et champ magnétique :
plein de couleurs au-dessus de nos têtes. Crédit image : NASA.

 

Au-dessus de 800 à 1000 km, au-delà de l’ionosphère, dans la magnétosphère terrestre, le mouvement des particules est régi par le champ magnétique terrestre. C’est à l’occasion de l’Année Géophysique Internationale et du lancement du satellite Explorer 1 en 1958, un an après Spoutnik, que la magnétosphère terrestre a été découverte. Sa forme n’est pas symétrique et dépend de l’interaction avec le vent solaire.

Les régions polaires, côté jour (du côté du soleil), sont les cornets polaires. C’est par les cornets polaires que les particules chargés pénètrent dans les parties plus basses de l’atmosphère et provoquent les aurores polaires.

 

Pour en voir de toutes les couleurs, mets ta polaire…

C’est donc l’excitation des molécules d’azote et d’oxygène par des particules chargées qui entraîne l’émission de photon et donc de lumière colorée dépendant du type de gaz : raie verte à 557 nm et doublet rouge à 630 et 636 nm pour l’oxygène, bleu et rouge pour l’azote ou encore un rouge à 656 nm pour l’hydrogène pendant les orages à protons.

Le mélange de ces différentes longueurs d’onde crée ainsi des teintes multiples (vert, rouge, violet, rose) avec des nuances variables mais toujours avec des couleurs assez saturées.

 

Vert d’orage

Le couleur perçue dépend de la concentration relative des différents gaz : près du sol, on observe souvent du rouge ou du violet. A haute altitude, le vert est prédominant en raison de la plus forte densité d’oxygène.

 

La balance des blancs gèle…

Les amateurs de photographie aimant les couleurs vertes prédominantes doivent donc aller en vacances très au nord… ou très au sud (moins facile d’accès !)

Au choix, Groenland, Laponie, Alaska, Canada, Islande ou Antarctique, le nord du Canada et l'Islande. En espérant que la couverture nuageuse (ça arrive…) ne gâche pas la belle photo.

 

Peut-on voir une aurore boréale de Madrid ?

Les aurores apparaissent donc principalement dans les régions voisines des pôles magnétiques, la     zone dite « aurorale » entre 65 et 75° de latitude.

Il faut une activité solaire vraiment intense pour qu’une aurore polaire soit visible « en dessous » de 65° de latitude nord ou sud. Selon le site Wikipedia, « l'aurore polaire due à l'éruption solaire de 1859 est descendue jusqu'à Honolulu et jusqu'à Singapour en septembre 1909 atteignant ainsi le dixième degré de latitude sud. En octobre et novembre 2003, une aurore boréale a pu être observée dans le sud de l'Europe ».

 

Les lancements du mois d'avril

Le record du mois de mars 2015 n'a pas été battu en avril. Loin de là... Seulement quatre lancements orbitaux ont été effectués le mois dernier, pratiquement tous dans la seconde quinzaine, dont trois en moins de trois jours :

  • 14 avril 2015, à 21:10 UTC, Cap Canaveral (SLC 40) : une fusée Falcon 9 v1.1 met en orbite le cargo Dragon CRS-6 (Cargo Resupply Services) à destination de la Station Spatiale Internationale (ISS). L'orbite est inclinée à 51,6° et son apogée est à 360 km d'altitude. La tentative de récupération du 1er étage sur une barge a à nouveau échoué.
  • 26 avril 2015, à 20:00 UTC, Centre Spatial Guyanais (ELA 3) : après deux reports de lancement, la première fusée Ariane 5 de l’année 2015 (mission VA222), une version ECA lancée de Kourou, met en orbite de transfert géostationnaire (GTO) les deux satellites de télécommunication Thor 7 et Sicral 2. Ce lancement est le 64ème succès d'affilée pour le lanceur européen Ariane 5. Le satellite norvégien Thor 7, construit par Space Systems Loral, fournit des services de communication en bande Ka pour les navires. Il couvre la Mer du Nord, la Mer de Norvège, la Mer Baltique, la Mer Méditerranée et la Mer Rouge. Construit par Thales Alenia Space, Sicral 2 est un satellite de télécommunications franco-italien pour la défense opérant dans les bandes UHF et SHF.
  • 27 avril 2015, à 20:00 UTC, Cap Canaveral (SLC 40) : le satellite de télécommunication TurkmenAlem 52E (pour 52°E, sa position finale en longitude) rejoint également l'orbite GTO à bord d'une fusée Falcon 9 v1.1, la seconde en moins de 15 jours. Il s’agit du 18ème vol d’une fusée Falcon.
  • 28 avril 2015, à 7:09 UTC, Baikonour (TB 31/6) : une fusée Soyuz 2-1a décolle avec le cargo Progress M-27M à destination de l'ISS. Une anomalie se produit avant la séparation du troisième étage du lanceur.

 

Lancements - Mise en orbite - Launch record - Avril 2015 - April 2015 - Loi de Rayleigh - Pouvoir séparateur - Résolution angulaire

Les lancements et mises en orbite du mois d'avril 2015. Crédit image : Gédéon

 

Au nom de la loi : Planck et Wien, spectres d'émission et température de couleur...

Je termine avec la formule du mois. J’aurai pu continuer sur le champ magnétique terrestre. J’ai préféré aborder les couleurs de la lumière, avec deux notions complémentaires : le spectre d’émission d’un corps noir et la température de couleur.

J’y reviendrai dans un article plus complet car ce sont des notions très importantes en observation de la Terre et elles méritent des explications plus détaillées. En attendant, voici deux lois pour le prix d’une… Et l’occasion de faire connaissance avec deux nouveaux scientifiques qui ont marqué leur époque :

  • La loi de Planck : elle donne la distribution spectrale du rayonnement émis par un corps noir en équilibre thermique en fonction de sa température :
  • La loi du déplacement de Wien : elle donne la longueur d’onde correspond à l’émission maximale. Le produit de cette longueur d’onde par la température est une constante.

 

Max Planck - Wilhelm Wien - Corps noir - Spectre d'émission - Température - Loi de planck - déplacement de Wien - Prix Nobel de Physique - Rayonnement

Loi de Planck et Loi de déplacement de Wien : 2 prix Nobel de physique pour en connaître
un rayon sur la lumière. Infographie : Gédéon

Avec :

  • L : luminance énergétique spectrale d'une surface. C’est le flux d’énergie émis par la surface par unité de surface, par unité d'angle solide, par unité spectrale (ici la longueur d'onde), exprimée en J par seconde par m2 par m.
  • λ : longueur d'onde, exprimée en mètres (m).
  • T : température de la surface du corps noir, exprimée en Kelvins (K).
  • h : constante de Planck (6,626 069 5729×10−34 J.s).
  • c : vitesse de la lumière dans le vide (299 792 458 m/s).
  • k : constante de Boltzmann (1,380 648 813×10−23 J/K).

 

Toute la lumière sur le corps noir

Quelques précautions avant de manipuler ces formules :

  • Les unités : je recommande toujours de travailler avec les unités du Système International (SI) : kilogrammes, mètres, secondes. Si vous êtes plus à l’aise avec les longueurs d’ondes exprimées en µm ou en nm, n’oubliez pas le rapport 106 ou 109.
  • Le milieu : ces formules sont valables dans le vide. Dans un autre milieu, il faut utiliser λ’ = λ/n et c’ = c/n où n est l'indice de réfraction du milieu.
  • La notation : ne confondez pas k, la constante de Boltzmann, et K, l’unité de température (échelle de Kelvin).

Physicien allemand, Max Planck (1858-1947) est un des pères de la mécanique quantique : il reçoit le prix Nobel de physique en 1918 pour ses travaux sur les quanta. Il introduit cette théorie en 1899, en définissant également la constante de Planck (ℎ) et la constante de Boltzmann (k). Un an plus tard, il formule la loi qui porte son nom. 

Wilhelm Wien (1864-1928) est également un physicien allemand. Le prix Nobel de Physique lui a aussi été décerné, en 1911, pour ses travaux sur le rayonnement de la chaleur.

 

En savoir plus :

 

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  • Gédéon
  • Ingénieur dans le domaine de l'observation de la Terre.
Bénévole de l'association Planète Sciences Midi-Pyrénées
  • Ingénieur dans le domaine de l'observation de la Terre. Bénévole de l'association Planète Sciences Midi-Pyrénées

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