Musée d'Histoire des Sciences

Cette maison de maître du dix-neuvième siècle, devenue centre historique, abrite une collection d'instruments scientifiques anciens, issus essentiellement des cabinets de physique des savants genevois du dix-huitième et dix-neuvième siècle.

128 rue de Lausanne, Genève 1202
Tel : +41 22 418 50 60

mah.ville-ge.ch

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L'objet: Simulateur d'aurores boréales Appareil pour reproduire les aurores boréales d’Auguste de la Rive-1860 précédant les mesures satellitaires dans la ionosphère.

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Le récit :

Récit par Stéphane Fischer, conservateur adjoint du Musée d’histoire des sciences de Genève

« Le Musée d’histoire des sciences de Genève s’associe à ces Journées en présentant une machine à reproduire les aurores boréales construite par le savant genevois Auguste De la Rive vers 1860. L’appareil servait à décrire ces phénomènes naturels par le biais du magnétisme et de l’électricité terrestres bien que l’on sache aujourd’hui, grâce aux fusées et aux engins spatiaux, que les aurores sont provoquées par des particules venues de l’espace…

Mystérieuses aurores polaires

Gigantesques rubans colorés déployés dans le ciel, les aurores boréales intriguent l’homme depuis l’Antiquité. Le savant et philosophe grec Aristote les décrit comme étant des « gouffres desquels jaillissent des torches mouvantes» qui seraient causées par l’inflammation des couches supérieures de l’air. Cette combustion de l’air est aussi à l’origine des comètes et des étoiles filantes.

Ce n’est qu’à partir de la Renaissance que les savants commencent à étudier ces phénomènes naturels plus en détail et les baptisent du nom « d’aurores boréales ». Plusieurs hypothèses sont avancées pour expliquer leur formation : inflammation de nuages de matière terrestre dans l’atmosphère, pénétration de l’atmosphère du soleil dans celle de la Terre, réflexion des rayons solaires sur les glaciers polaires ou sous l’horizon terrestre.

Au XVIII^e siècle, les expériences et découvertes menées dans le domaine de l’électricité statique incitent les savants à faire le lien entre les aurores et l’électricité. Ils imaginent que la terre est entourée par un fluide électrique qui s’étend jusqu’aux plus hautes couches de l’atmosphère. Les aurores, comme d’ailleurs la foudre, les cyclones et la grêle, résultent de perturbations locales de ce fluide électrique atmosphérique. Le savant américain Benjamin Franklin, l’inventeur du paratonnerre, émet l’idée que les aurores sont dues à des décharges électriques entre la terre et l’atmosphère.

L’électromagnétisme : une nouvelle explication aux aurores polaires

Un siècle plus tard, l’explication électrique est abandonnée au profit de l’électromagnétisme « découvert » par le Danois Oersted en 1820. L’Anglais Faraday, l’autre grand « découvreur » de l’électromagnétisme, imagine un modèle théorique pour décrire les aurores. Il considère la terre comme un grand aimant rotatif qui donne naissance à des courants électriques s’échappant par les pôles vers les hautes couches atmosphériques et retournant dans la terre sous la forme de décharges électriques en formant les aurores.

S’inspirant des travaux de Benjamin Franklin et des découvertes de l’électromagnétisme par Oersted et Faraday, le savant genevois Auguste De la Rive (1801-1873) élabore à son tour une théorie sur les aurores mêlant à la fois électricité et magnétisme terrestres. Selon De la Rive, les aurores sont provoquées par des décharges entre l’électricité atmosphérique (positive) et la surface de la terre (chargée négativement), ainsi que par l’action du champ magnétique terrestre très sensible dans les régions polaires. De la Rive fonde son explication sur de précédentes études (datant de 1849) sur les décharges électriques dans les gaz raréfiés où il avait mis en évidence que les jets lumineux (provoqués par les décharges) s’enroulaient en spirale lorsqu’ils sont aimantés.

L’appareil à reproduire les aurores d’Auguste De la Rive

Pour soutenir sa théorie, De la Rive, met au point vers 1860 un modèle de démonstration sophistiqué destiné à « reproduire en petit les aurores boréales et australes avec tous les phénomènes qui les accompagnent ». L’appareil comporte une grosse sphère en bois, représentant la terre, portant à ses pôles deux tiges de fer doux entourées chacune d’un manchon en verre sous vide contenant des gaz raréfiés. Pour faire fonctionner l’appareil, on recouvre d’abord la sphère en bois de deux bandes de papiers buvards imbibés d’eau salée (une autour de l’équateur, l’autre reliant les deux pôles). On connecte la sphère à une bobine de Ruhmkorff (transformateur) que l’on met en fonction.
La décharge de haute tension provoque l’apparition d’un faisceau lumineux dans les manchons. La dernière opération consiste à aimanter les deux tiges de fers doux par un électroaimant. Sous l’action de ce champ magnétique, le faisceau se met à tourner autour de la tige.
Le sens de rotation dépend de la polarité des électroaimants. De la Rive présente son appareil à l’Observatoire de Paris en 1863 à l’invitation du célèbre astronome français Urbain Le Verrier (qui a découvert la planète Neptune). Par la suite, il en fera construire plusieurs exemplaires (par la Société d’instruments de physique de Genève, la SIP, dont il est un des fondateurs) pour équiper les principaux cabinets de physique d’Europe.

Les aurores : des phénomènes d’origine solaire

Hélas pour De la Rive, sa théorie va s’avérer fausse. En 1866, les premières analyses spectroscopiques de l’atmosphère indiquent que les principaux éléments impliqués dans les aurores sont l’oxygène et l’azote. A la fin du XIX e siècle, le norvégien Christian Birkeland démontre expérimentalement que les aurores proviennent d’un flux de particules solaires guidées par le champ magnétique vers les pôles terrestres. Cette découverte sera confirmée soixante ans plus tard par les premiers satellites en orbite qui révèlent l’existence de la magnétosphère terrestre, la zone d’influence du champ magnétique terrestre qui se situe entre 100 et 600 kilomètres d’altitude. Les observations spatiales indiquent aussi la présence de vents solaires charriant les particules électriques émises lors des éruptions de notre étoile. Si la majorité des particules solaires demeurent piégées dans la magnétosphère, une petite proportion d’entre elles se retrouvent déviées, puis canalisées et accélérées par le champ magnétique terrestre en direction des pôles où elles entrent alors en collision avec les atomes et molécules, principalement l’azote et l’oxygène, de la haute atmosphère. Les zones de collision se forment en général le long d’un anneau centré sur les pôles magnétiques de la terre. Lorsqu’ils sont percutés par les particules solaires, les atomes d’azote et d’oxygène gagnent soudainement de l’énergie qui les excite.
Elles regagnent rapidement leur état initial en restituant l’énergie acquise sous la forme d’un rayonnement lumineux. C’est l’ensemble de tous ces rayonnements lumineux engendrés par les collisions qui confèrent aux aurores leur éclat et leurs couleurs (essentiellement bleue, verte et jaune) si particulières.

Au cours de leurs voyages dans notre système solaire, les fusées et les sondes spatiales ont montré que les aurores polaires se produisaient également sur d’autres planètes : Mercure, Saturne, Jupiter, Neptune, Uranus. Aujourd’hui, les aurores ont perdu une partie de leur mystère. Elles continuent néanmoins de susciter l’intérêt des chercheurs qui s’efforcent toujours de comprendre plus en détail ce phénomène dont on ne maîtrise, pour l’heure, que les grandes lignes.»