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SCISAT-1

Comprendre les spectres

La mission SCISAT-ACE (Expérience sur la chimie atmosphérique) observera les spectres solaires. Les spectres observés seront généralement des spectres solaires modifiés, car la mission ACE observera les spectres de la lumière solaire qui passe à travers l’atmosphère terrestre. Le passage de la lumière solaire dans l’atmosphère terrestre modifie son spectre. Ces changements sont liés aux propriétés physiques et chimiques de l’air dans lequel la lumière solaire est passée.

Pour comprendre ce processus, nous devons d’abord comprendre les spectres eux-mêmes.

Trois types de spectres optiques

Lorsque la lumière ordinaire passe dans un prisme (ou un réseau de diffraction), un spectre en résulte à cause du fait que la lumière incidente est le résultat du « mélange » de plusieurs longueurs d’onde différentes (couleurs).

Les spectres peuvent être classés en trois grandes catégories :

1. spectre continu (haut);
2. spectre d’absorption (centre);
3. spectre d’émission (bas).

Spectre continu

Les sources incandescentes, telles qu’une ampoule électrique et la surface du Soleil, produisent un spectre qui couvre toutes les longueurs d’onde. La couleur la plus présente dépend seulement de la température de la source.

Ce genre de spectre est illustré dans le diagramme de gauche.

Si ce spectre était enregistré sur un spectrographe, le graphique ressemblerait à celui qui est dessiné sous le spectre. La longueur d’onde (couleur) ayant la plus grande intensité est déterminée par la température de la source.

En mesurant la longueur d’onde de l’intensité la plus élevée, il est possible de déterminer précisément la température de tout objet chaud, comme des métaux en fusion (dans un haut-fourneau) ou la température de surface des étoiles éloignées.

Spectre d’absorption

Lorsqu’un spectre continu est observé après que sa lumière soit passée dans un gaz, le spectre continu est modifié. Le spectre contient des bandes sombres... certaines couleurs semblent être disparues. C’est le type de spectre observé par la mission SCISAT-ACE (Expérience sur la chimie atmosphérique).

Cet effet est observé dans la lumière solaire après son passage dans les couches extérieures de l’atmosphère du Soleil et aussi après son passage dans l’atmosphère terrestre.

Nous savons aujourd’hui que tous les types d’atomes absorbent la lumière d’une longueur d’onde spécifique (ou une combinaison de longueurs d’onde), la longueur d’onde absorbée constituant une caractéristique spécifique à chaque type d’atome.

On peut utiliser la détermination de la longueur d’onde absorbée pour identifier la composition chimique du gaz dans lequel la lumière est passée.

En comparant le spectre du Soleil au-dessus de l’atmosphère terrestre avec son spectre après son passage dans l’atmosphère terrestre, il est possible de déterminer la composition des gaz dans lesquels la lumière est passée.

Spectre d’émission

À la fin du 19^e siècle, les scientifiques ont remarqué qu’en ionisant les éléments par une haute tension envoyée dans leur vapeur à basse pression (dans des tubes de verre scellés semblables à ceux des enseignes au néon), ils pouvaient produire un spectre composé d’une série de raies claires. Ils ont également remarqué que les couleurs émises par les raies et leur espacement étaient uniques à chaque élément. Ces spectres d’émission peuvent être utiles pour identifier toute substance pouvant être ionisée.

En fait, on a découvert que les raies d’émission de chaque élément étaient identiques aux raies que ces mêmes éléments produisent dans un spectre d’absorption.

Cette découverte surprenante a créé une urgence pour les scientifiques du monde entier d’identifier les raies d’émission de pratiquement toutes les substances qu’ils pouvaient trouver. D’énormes catalogues ont été compilés, énumérant les longueurs d’onde d’émission (et d’absorption) de milliers de composés et des éléments qui les forment.

CONCEPT IMPORTANT :

En comparant le catalogue des raies d’émission créé en laboratoire avec les raies Fraunhofer¹ observées dans les spectres d’absorption produits par l’atmosphère, on peut connaître la nature chimique de la matière à l’origine des raies d’absorption.

¹ Joseph Fraunhofer (1787-1826) : talentueux, il a réussi à produire d’excellents spectres solaires qui ont permis d’étudier les raies qui portent maintenant son nom.