FORMULES de PHYSIQUE
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C3.ASTRES et ÉNERGIE
-albédo astral
Albédo est le nom du coefficient réflecteur de lumière pour un corps, en astronomie (yb)
C'est le rapport entre l'énergie réfléchie par un corps (généralement par une planète) et celle qu'il reçoit (généralement depuis une étoile)
L’albédo de la planète Terre est de 0,33 avec des variations allant de :
sol neigeux(0,90)--glace(0,40)--sable(0,30)--laves(0,04)
Il est émis dans les longueurs d'onde de 4 à 40 µm (avec faveur pour 15 µm)
L'albédo de la lune est de 0,07
-amas stellaire
AMAS STELLAIRE
Un amas ouvert est un groupe de # 103 à 4 étoiles, amas ayant masse moyenne de 1033 kg et dimension de 1023 à 24 m
Un amas globulaire est un groupe de # 105 à 6 étoiles (masse # de 1037 kg)
Un amas galaxique (ou galaxie) est un ensemble de # 107 à 12 étoiles
Masse moyenne de # 1036 kg
Exemples >>
-l'amas local est constitué de notre galaxie et une vingtaine de galaxies voisines
-le superamas de la Vierge est constitué de l'amas local et d'une quinzaine de galaxies voisines (masse # 1050 kg)
-le plus gros superamas connu (nommé Huge LQG) regroupe 73 galaxies, couvre 5% du ciel vu de la terre et est 40.000 plus long que la voie lactée.
-constante de Gauss
La constante de Gauss est la vitesse angulaire d'une [planète Terre prototype], qui tournerait autour du soleil à une distance précise et constante -dite "unité astronomique"- valant 149597870691 mètres
Cette vitesse angulaire serait alors de 0,01720209895. rad / jour (ou 0,9856076686 degré d'angle par jour ou encore # 2.10-7 rad/seconde)
-constante solaire
La constante solaire (symbole p*s) est un cas particulier de puissance surfacique
C'est la puissance reçue depuis le soleil (son flux) ramenée à la surface d'une sphère hypothétique située à 50 kilomètres au-dessus du sol terrestre et que l'on suppose être très exactement à 1 unité astronomique du soleil
1 unité astronomique (u.a) est égale à 1,49559787.1011 mètres. Mais dans les calculs énergétiques, on peut se contenter d'un nombre arrondi et on accepte 150 millions kms.
Cette puissance surfacique reçue, symbolisée p*50 est nommée constante solaire et vaut p*50 = p*S(lrs / lst)² d'après la loi de Newton
p*S est la puissance surfacique émise par le soleil (valant elle-même :
KSB.T4 d'après la loi de Stefan-Boltzmann, où KSB = 5,67.10-8 W/m²-K-4 et T est la température de surface du soleil = 5780 K),
donc p*S = 6,4.106 W/m²
(lrset lst) sont respectivement le rayon du soleil et la distance soleil-terre
La valeur numérique résultante est: p*50 = 6,4.106 (0,7/150)² = 1394 W/m²
Cette valeur doit toutefois être pondérée, car il y a diverses déperditions énergétiques et la valeur retenue est de 1361 Watts /m²
Cette valeur est une moyenne, variant de +/- 3,4%, selon la position de la Terre sur sa trajectoire elliptique de planète
On peut la calculer plus précisément et calendairement avec la formule :
p* = (1361).(1 + 0,033 x Cos360° x (j - 2,7206) / 365,25)
où j est le numéro du jour de l'année
Nota : au niveau du sol terrestre, cette valeur chute fortement (8 fois moindre) à cause des nuages, des molécules d'air, des réflexions et diffusions... et il n'en reste que 168 Watts/m² en moyenne
-cycles stellaires
L'énergie des étoiles provient de réactions chimiques cycliques, qui transforment l'hydrogène en hélium (début des alourdissements successifs des corps simples stellaires)
Les symboles ci-dessous signifient: (1 Mev # 1,6.10-15 J) --- (21H et 31H = deutérium et tritium) --- (He = hélium) --- (n = neutron) --- (p = proton = 1 H) --- (n = neutrino) --- (α,β,g = rayons alpha, béta, gamma) --- (e = électron)
LE CYCLE C-N (CARBONE-AZOTE)
126C + p donne >>> 137N + β+ donnant >>> 136C + e+ + n qui, avec un nouveau p >>> donne 158O + β + >>> donnant 157N qui, avec un nouveau p >>> donne 126C + 42He
La récupération de 126C en fin de cycle, permet de recommencer le cycle (mais ayant permis de récupérer une énergie créant une température > 1010 K)
LE CYCLE C-N-O (CARBONE-AZOTE-OXYGÈNE) ou CYCLE DE BETHE
136C >>> donne 147N + p + g >>> donnant 158O + p >>> donnant 157N + e+ + n >>> donnant :
a))soit 168O + p + g >>> donnant 179F + p + g >>> donnant 178O + 1H >>> redonnant
147N + p + α pour revenir au départ du cycle (168O + p + g)
b))soit 126C + p + α >>> donnant 137N + p + g >>> redonnant 136C + e+ + n pour revenir au point de départ
Tout ceci avec émissions énergétiques (à chaque fois de 2 à 10 MeV)
LE CYCLE p-p
p est un proton (c'est à dire 1H) et l'association de 2 p produit une fusion thermiquement intéressante
1H +1H donne 21H + e+ + n puis 1H + 21H donne 31He + g + 5,49 MeV
puis (très tardivement) 3He + 3He donne 4He + 1H +1H + grosses énergies (13 MeV) permettant atteinte de températures supérieures à 106 K
Le cycle p-p produit 98% de l'énergie solaire
-densité surfacique de flux de particules
La densité surfacique de flux de particules est une notion utilisée pour le comptage des particules de provenance astrale
C'est bien entendu une répartition (dite "densité") d'un nombre de particules réparties sur une surface (d'où le mot "surfacique") pendant un certain temps (d'où le mot "flux")
Equation de dimensions structurelles : L-2.T-1 Symbole :y*
Unité S.I.+ : particules/m²-s
Exemple >> la densité de particules cosmiques reçues sur Terre, à faible altitude,
est # 1100 part/s-m²
-éclat d'un astre
L'éclat est un terme utilisé en astronomie
il faut distinguer l'éclat émis par l'astre (qui est une exitance lumineuse, une forme de luminance, c'est à dire une puissance surfacique et spatiale) avec l'unité nit
et l'éclat reçu (sur Terre) qu'on nomme plutôt illuminance, avec l'unité lx/sr
Equation aux dimensions structurelles : M.T-3.A-1
Symbole de désignation : Dé Unité d’usage : nit ou lx/sr
Relation entre éclat et magnitude astrale visuelle absolue
La magnitude astrale M'a (un classement de l'apparence lumineuse) est fonction de l'éclat sous la relation >>
M'a = -35,78 + 2,512 log Dé / θ
où θ(rad) = parallaxe de l’astre (c'est à dire l'angle de "vue" d’un demi grand-axe de l’orbite terrestre depuis cette étoile) et
Dé= éclat (en nit) émis par cet astre
-énergie en cosmologie
REPARTITION des ENERGIES de l'UNIVERS
Voir aussi chapitre titré masse manquante et matière noire
l'énergie totale de l'univers est de 3,9.1072 Joules,
Risquons-nous à en faire l’inventaire
-- (5 %) correspondent à de l'énergie connue, que l'on sait mesurer et qui provient de ce que l'espace a déjà mis sous nos yeux, y compris avec l'énergie cinétique de mouvement de la matière. Cela est un constat : il s'agit de la matière massique ou rayonnante ( 4% sont des baryons, essentiellement les étoiles // 0,2% sont des leptons et bosons // 0,3% sont les photons du rayonnement du fonds diffus cosmologique(C.M.B) // 0,5% sont des photons qui ne sont pas dirigés vers nous -et dont l'origine ne nous est sans doute pas perceptible- // et enfin quelques autres photons & neutrinos...)
Nota : les neutrinos sont très nombreux (300 / cm3, soit 1089 unités dans l'univers mais leur masse moyenne est très petite (< 10-35 kg.) donc leur total ne représente que Sm.c² = 1070 Joules, soit moins de 1% de l'énergie totale de l'univers
--moins de 1% correspond au potentiel de la chaleur,perdurant depuis le big bang originel mais qui est encore suffisante pour maintenir à 2,72 degrés (C.M.B)le volume de l'univers (qui est de 8,1.1080 m3)
--2% correspondent à l'énergie cinétique que le milieu (le vide) a insufflé à toute la matière créée à ce jour, et que l'on voit se déplacer à grandes vitesses.
--4% correspondent à l'énergie de rotation de toutes les particules du monde -et qui est éternelle, car les particules tournent ou vibrent toute leur vie, sans interruption ni ralentissement-
--(23%) correspondent à l'énergie d'éléments mal connus et mal mesurables, que l'on dénomme matière noire. La recherche de la matière noire est l'une des grandes questions ''à la mode'' de la physique du XXI° siècle. On est sûr que cette matière-là existe bien, mais elle est absente de nos perceptions
En voici le détail :
..2% correspondent à des étoiles naines, des poussières, des corps non émetteurs d'ondes et d'autres corps sombres (on ne peut mesurer les caractéristiques d'un tas de charbon froid sur un fond noir)
..-1% correspondent à de l'énergie d’éventuelles antiparticules supposées négatives(ce qui, hélas,aggrave la différence !)
..1% est dû aux trous noirs, qui font disparaître certains supports visibles d'énergie (vraisemblablement en les retransformant plus tard, en d'autres supports mal théorisés)
..1% correspond à l'énergie disponible nécessaire pour créer de futurs bosons-véhicules
..20% (soit 87 % de la matière noire) correspondent à ce qui est nommé la masse manquante, c'est à dire de l'énergie disponible pour fabriquer des futures masses
Il faut rappeler ici que la masse réelle connue (baryonique) est une notion induite. Ce qui signifie qu'une masse unitaire (un baryon) est fabriquée (quand les fluctuations de la constante de gravitation sont favorables) par une autre entité inductrice, dite charge mésonique qui --elle--est la première arrivée dans la création du monde. Le baryon n'existait pas à l'état originel ou initial du Big bang, il est le fils de la charge mésonique (en termes de physique, on dit qu'il en est induit)
Et ce qu'on appelle la masse manquante, est en fait une masse incréée, encore en instance dans le giron de la charge mésonique.
Il n'y a donc pas, au sens littéral, de la masse manquante, mais un potentiel énergétique, sous-tendant de la masse en attente de création. Comme les charges mésoniques n'ont pas d'interactions visibles dans le monde induit dans lequel nous vivons et savons mesurer des interactions, elles restent cachées dans le vide, hors de nos outils d'investigations.
La charge mésonique a pour dimension L3.T-2.A où l'on voit bien qu'il n'y a pas présence de masse(M). Par contre, la création de M en découle (s'en induit), car elle provient d'une variation (fluctuation) locale de la constante cosmologique δKλ (surtout en sortie de trou blanc). Car ceci entraîne, en ce lieu, une variation (δρ') de la masse volumique de point zéro,ce qui permet à une charge mésonique disponible Y*, de créer une masse, par développement d'un phénomène d'induction (à distance).
On a en effet : m =Y*.δρ' / c2.δKλ
(m en kilogs, Y* en m3-sr/s², ρ' en kg/ m3, c en m/s et Kλ en sr/m²)
..1% correspond à de l'énergie électrique qui --pour les mêmes raisons que pour les masses ci-dessus-- est ou sera créée.Il existe dans l'espace des entités-charges d'induction électrique P(dimension L3.M.T-3.I-1.A) qui n'ont pas encore induit de charges électriques, car les conditions de création des charges électriques ne sont pas encore réalisées (cette création interviendra quand l'inductivité prendra une valeur disruptive) Auparavant, elles sont cachées à nos perceptions, mais n'en sont pas moins détentrices potentiellement de parts d'énergie
La création d'une charge Q (électrique)provient de Q = (δKλ.δEo.V / δ²ζ')1/2
δKλ est la variation de la constante cosmologique, entraînant la variation-fluctuation de l'énergie de point zéro δEo(J) et cela cause aussi la disruption du facteur de milieu (l'inductivité δζ')
Quand une particule massique est créée, elle est souvent envahie par de nouvelles charges induites d'électricité, qui ont des interactions attractives ou répulsives et qui se superposent aux interactions gravitationnelles . L'écart énergétique entre les 2 types d'interactions se nomme écrantage (selon les particules en cause, l’écrantage atteint de 0 à 6%) Ce qui correspond donc à une énergie moyenne de 3% de l'énergie massique vue plus haut, qui ne représente elle-même que 4% du total universel. Donc l'énergie électrique déjà présente sur les masses n'est pas significative (1/1000)
Et celle qui attend la création n'est guère plus marquante, donc limitée au maximum à 1%
..5% correspondent à de l'énergie de couleur qui --pour les mêmes raisons que pour les masseset les charges électriques ci-dessus-- n'est pas encore créée.Il existe dans l'espace des entités-charges de dièdre fréquentiel (dimension L2.T-1.A) qui n'ont pas encore induit de couleurs(Q'),tant que le facteur de Yukawa n'a pas atteint une valeur disruptive. Elles n'en sont pas moins des grandeurs potentiellement énergétiques, qui seront les apports de couleur au moment opportun (rappelons que la couleur représente
98% de l'énergie des nucléons, donc 98% de leur masse (les 2 derniers % étant de la masse baryonique et un soupçon de masse de saveur)
La création d'une couleur provien ten effet de Q' = (δKλ.δEo.V / δ²Y)1/2
V est le volume de la zone impliquée, Y est le facteur de Yukawa(9,32.10-27m-sr/kg)
..1% correspond à de l'énergie de saveur qui --pour les mêmes raisons que pour les charges et masses ci-dessus-- n'est pas encore créée.Il existe dans l'espace des entités-charges magnétiques d'induction c (dimens° L2.M.T-2.I-1.A) qui n'ont pas encore induit de saveurs, mais qui n'en sont pas moins des grandeurs potentiellement énergétiques. Ces saveurs potentielles seront éventuellement créées (induites) quand la perméabilité magnétique deviendra disruptive.
On aura alors K = (δKλ.δEo.V / δ²μ]1/2
δKλ est la variation de la constante cosmologique, entraînant la variation-fluctuation de l'énergie de point zéro δEo et cela cause aussi la disruption du facteur de milieu (la perméabilité μ)
..2% correspondent à de l'énergie de bouillonnement, correspondant à la permanente création-disparition des pseudo-particules (celles qu'on nomme virtuelles, formant le cortège des vraies particules). Elles sont créées dans les zones de fluctuation de l'énergie spatiale de point zéro (dite fluctuation du vide quantique)
En considérant que cette zone forme un système, son énergie fluctue de ΔE, pendant un temps Δt, et comme il y a incertitude entre E et t(d'après l’équation du quantum d'action
h # ΔE.Δt) ceci permet d'estimer le temps d'apparition-disparition de ces particules
fugaces >> c'est t = h / 2m0.c² oùh(J-s)= quantum d'action (const. de Planck = 6,62606876.10-34J-s), où m0(kg)= masse particulaire (~2,86.10-27 kg)et c(m/s)=const°d'Einstein (3.108 m/s)
Ce temps est donc t # 10-24 s.
C'est une durée beaucoup trop faible pour qu'on puisse la constater par une mesure.
Certaines de ces particules virtuelles sont (très rarement) stabilisées= c'est un apport de l'énergie du vide dans les créations de particules >>> ceci explique que parfois, dans certaines interactions, les masses des résultants soient plus élevées que les masses des constituants.
..3% correspondent à l'énergie potentielle des facteurs de milieu, qui créeront des futurs bosons de jauge (photons, gluons, bosons de Higgs et gravitons) dès qu'ils seront mandatés à induire des futures charges induites.
..il reste 53% de l'énergie de l'univers qu'on nomme énergie noire proprement dite, parfaitement inconnue.
Pour l'expliquer, on évoque des particules spéciales, dites exotiques, ou Machos, ou Wimps, ou Axions, etc...
On évoque aussi des replis de l'espace, qui impliqueraient de l'énergie lovée en attente.........
Mais cela revient à expliquer l'inconnu avec de l'inconnu.
Toutefois l'énergie noire, de par son importance (environ la moitié du total de l'énergie universelle) représente un enjeu important de l'avenir de l'univers, car c'est vraisemblablement elle qui favorise l'augmentation du taux d'expansion Et si ce dernier augmentait trop, il y aurait diminution de la cohésion de la matière, entraînant sa dislocation (pour une fin du monde nommée Big Rip)
ÉNERGIE des ETOILES
Voir aussi chapitres étoiles et fusion nucléaire
Chaque réaction élémentaire nucléaire stellaire développe une énergie comprise entre 3 et 15 MeV (soit 5 à 25.10-13 J) et chacune d'entre elles obéit à la relation E = m.c²
La somme de ces énergies élémentaires dans une étoile, se traduit essentiellement en dissipation. Pour le soleil (étoile de taille moyenne), l'énergie dissipée est de 1,2.1034 Joules par an
ÉNERGIE POTENTIELLE d'un ASTRE SPHÉRIQUE (FORMULE de BETTI-RIPPER)
E = 3G.m² / (n-5) lr.Ω
mêmes symboles que ci-dessus avec en outre
lr(m)= rayon de l'astre de masse m(kg)
n(nombre) = 1 / (γ -1) où γ est l'indice adiabatique
DENSITÉ VOLUMIQUE D’ÉNERGIE COSMIQUE
Cette énergie cosmique est soit de rayonnement, soit de chaleur, soit de travail mécanique... c'est E, telle que
E = V.pv avec pv(J/m3)= densité d’énergie présente dans un volume d'espace V(m3) et E(J)= énergie totale contenue dans V
En appliquant les valeurs géométriques supposées de l'univers, on trouve une densité = 1072 J / 1081 m3 = 10-9 J/m3
ÉNERGIE de PARTICULE EXTRA-GALACTIQUE
Elle atteint parfois (rayons cosmiques intenses) 1018 eV (soit presque 1 Joule)
-énergie solaire
-Données basiques servant aux calculs ultérieurs
-surface du soleil (6,1.1018 m²)--surface de la Terre (5,3.1014 m²)-
-durée d'une année (3,15.107 s)
-Pourquoi certaines valeurs sont-elles données à 50 kilomètres d'altitude (dite altitude de la constante solaire) ?
parce qu'on estime que dans la zone stratosphérique située à cette distance, on est à la fois :
--forfaitairement et exactement à 150 millions de km du soleil
--et qu’en outre, on est là dans une zone dégagée des pertes énergétiques ultérieures créées par les molécules atmosphériques
A cette distance, on doit appliquer aux énergies (ou aux puissances),un ”abattement global” d’atténuation (= 3,7.10-9) qui tient compte des déperditions entre le soleil et la sphère sise à 50 km du sol terrestre
Sont inclus dans ce coefficient 4 éléments cumulatifs >>
***2.10-5, pour tenir compte de la différence des distances (d’après Newton, c’est le rapport des carrés des distances, l’une étant celle de la surface du soleil, l’autre étant celle située à 150 millions de kms du centre solaire)
***ensuite, encore 0,5.10-5 pour tenir compte du pourcentage entre les angles solides de (liaison-vision) entre les 2 astres ( pour l’un, c’est # 6,7.10-5 sr, à comparer à l’autre angle solide de 4 pi sr (d’émission totale initiale), donc 6,7.10-5 / 12,56 = ~ 0,5.10-5)
***puis environ (1% du reste), pour tenir compte que le soleil n'est pas un corps noir parfait
***et enfin (1,25% du reste), pour tenir compte des déperditions du voyage jusqu'à la stratosphère terrestre (dues aux poussières, effets de bords, molécules dans la mésosphère, etc)
Nota : il restera encore, pour la traversée ultérieure de l’énergie jusqu’au sol, (50 kms plus bas), à appliquer un coefficient d’abattement de (0,123) qui tient compte de l’absorption énergétique par les molécules atmosphériques.
1.QUESTIONS d’ENERGIES
1.1.d’où provient l’énergie du soleil ?
l’énergie globale du soleil est produite par la contraction gravitationnelle :
E = (600).m².G / W.lrs où m (2.1030 kg) est la masse solaire, G(8,4.10-10 unités S.I.+ estla constante de gravitation, W l’angle solide (4 p), lrs(7.108 m) est le rayon solaire et 600 est un facteur correspondant à l’irrégularité distributive des masses sur le rayon solaire au cours de sa vie
La valeur numérique résultante est de ~ 2,3.1044 Joules
On peut aussi dire que le soleil aura émis une puissance supposée constante (telle celle de cet instant, qui est de 3,8.1026 Watts), pendant une durée de vie totale de 20 milliards d’années, ce qui représentera bien une énergie totale de ~ 2,3.1044Joules
1.2.énergie émise par le soleil (en 1 année)
Ce n’est que 1,2.1034 Joules (/an)
Et la partie utile, correspondant à la partie du soleil faisant face à la Terre, n’en représente que la moitié (6.1033 Joules (/an)
1.3.énergie reçue (en 1 année) à 50 km de la Terre
c’est l’énergie utile émise par le soleil (6.1033 Joules/an), minorée du coefficient (= 3,7.10-9) tenant compte de la transmission de l’énergie jusqu’à la sphère sise à 50 km de notre sol
Il reste alors 2,2.1025 Joules par an
1.4.énergie reçue (en 1 année) sur le sol terrestre
c'est l’énergie reçue à 50 km (2,2.1025 Joules par an) x (0,123 de déperdition dans le transfert à travers l'atmosphère = 2,7.1024 J/an
La Terre absorbe 44% de l'énergie qu'elle reçoit et renvoie le reste (56%) dans l'espace
2.QUESTIONS de PUISSANCES
2.1.puissance émise par le soleil en toutes directions (dite RAYONNEMENT ou luminosité bolométrique intrinsèque (bolométrique signifiant totalité de toutes les longueurs d'ondes émises et intrinsèque rappellant que c'est une qualité propre à l'astre, mais pas à sa distance)
C’est l’énergie émise (1,2.1034J) ramenée à une année (3,15.107s) donc ~ 3,8.1026 Watts, sachant qu’il n’en est émis que la moitié face à la Terre, donc on ne garde qu’une puissance utile de 50%, soit 1,9.1026 W
Rappelons que la puissance brute est donnée par la formule théorique
P = S.Kr.(T)4 où Kr est la constante de Stefan-Boltzmann (5,67.10-8), T la température en surface du soleil (5.780 K) et S(m²) la surface du soleil (6,1.1018 m² >>> cela donne # 3,8.1026 Watts
dont la moitié (# 1,9.1026) est émise face à la Terre
2.2.puissance reçue à 50 km d'altitude
c'est la puissance émise par le soleil, minorée du coefficient de déperdition dû à la distance, soit :(1,9.1026 W)x(3,7.10-9) # 7.1017 Watts
2.3.puissance moyenne utile reçue sur le sol terrestre
c’est la puissance reçue à 50 km (7.1017W) abattue du coefficient de transfert dans l’atmosphère (0,123) et encore réduite de moitié (pour tenir compte de la nuit) donc c’est ~4,3.1016 W
La partie correspondant à la seule lumière visible est de 36% soit
1,5.1016 W (ou environ 9.1018 lux-m²)
La France métropolitaine bénéficie d’environ 1/1.000° de ces valeurs
3.QUESTIONS de PUISSANCES SURFACIQUES
3.1.puissance surfacique globale émise par le soleil en toutes directions (elle est dite irradiance)
C'est le quotient de sa puissance émise par sa surface (soit # 3,8.1026 W / 6,1.1018m²) # 6,2.107W/m² sur sa surface
3.2.puissance surfacique reçue à 50 km du sol terrestre
c'est la puissance qu’on y reçoit (7.1017 W) / la surface de la sphère à 50 km d'altitude (# 5,2.1014 m²) = 1361 W/m² (moyenne retenue par la communauté scientifique)
Cette valeur est la constante solaire
3.3.puissance surfacique reçue sur le sol terrestre
c'est la puissance surfacique reçue à 50 km (1361 W/m²) abattue du coefficient de transfert dans l'atmosphère (0,123) donc c’est 168 W/m²
Ces 168 W/m² se répartissent en 3 origines
--les ultraviolets pour 30 W/m² (donc 18 % des 168)
--les infrarouges pour environ 77 W/m² (soit 46 % des 168)
--la lumière visible (couleurs du spectre) = 61 W/m², c'est à dire 36 %
4.AUTRES QUESTIONS ENERGETIQUES
4.1.puissance spatiale reçue au sol par la Terre (P' dite intensité reçue)
c’est la puissance reçue (4,3.1016 W) ramenée à l’angle solide de transmission (4 pi, soit 12,56 sr) soit donc = 3,4.1015 W/sr.
Dont # 1,2.1015 W/sr pour la lumière (soit 7.1017 lx-m²/sr)
4.2.puissance surfacique spatiale reçue sur la Terre, depuis le soleil
on la nomme réceptivité.
C’est la puissance reçue (4,3.1016 W) ramenée à l’angle solide de transmission (4 pi, soit 12,56 sr) et ramenée aussi à la surface, c’est donc
67 W/m²-sr
La part concernant la lumière seule (dite illuminance ou luminosité apparente ou éclat reçu) est # 24 W/m²-sr soit 1400 nits
4.3.durée d’ensoleillement: c'est une durée de présence du soleil (donc correspond à un coefficient faisant varier la quantité d'énergie apportée)
revoir chapitre spécial
UTILISATIONS de l'ENERGIE SOLAIRE
-énergie recueillie par panneaux photovoltaîques (dits P.V. en abrégé)
Voir chapitre spécial
-énergie recueillie par capteurs thermiques (dits aussi panneaux solaires thermiques)
L'énergie est ici produite par la récupération des rayons thermiques solaires (donc surtout infra-rouges) grâce à des appareils dits capteurs (ou hélio-capteurs, ou panneaux solaires) dans lesquels circule un fluide caloporteur (souvent eau ou air)
Le rendement est # 5 fois supérieur à celui des panneaux photovoltaïques et la production énergétique est de l'ordre de :
-400 kwh/m² dans des zones moyennement ensoleillées (nord de la France)
-800 kwh/m² dans les zones très ensoleillées (S.E. de la France)
-étoiles
Les étoiles sont si nombreuses qu’il est difficile de les nommer toutes. Au moins deux sortes de classement existent :
UNE DENOMINATION LIMITÉE À 120.000 ÉTOILES PROCHES
Référencées sous le sigle initial H.I.P (abréviation de Hipparcos, satellite) et correspondant à un catalogue référençant leurs coordonnées, prises dans un système international de références (dit I.C.R.S)
UNE DENOMINATION PLUS GÉNÉRALE
où un groupe de symboles rappelle les 4 paramètres de classement ci-après :
-la constellation d'appartenance (1° symbole)
Le premier symbole de désignation d'une étoile est la constellation à laquelle elle appartient (parmi les 88 constellations ancestralement dénommées (Orion, Andromède, Cygne, Scorpion......) Ce premier symbole apparaït sous la forme d’un doublé = une lettre grecque (ou latine ou un nombre), suivi d’une abréviation du nom de la constellation .
Exemple : ω Dra est l'étoile de position ω dans la constellation du Dragon
-la classe spectrale (2° symbole): la caractéristique spectrale d'une étoile (dite classe spectrale de Harvard) se trouve sensiblement être proportionnelle à sa température de surface et définit également ses caractéristiques chimiques
Cette caractéristique nous est accessible à travers le spectre lumineux de l'astre (ensemble composé de bandes-émissions et lignes-absorptions)
La classe spectrale est un repère tenant compte de l'allure du spectre, lui-même fonction assez précise de la température de surface de l’astre
Ce repère de "classe" est symbolisé par l’une des 8 lettres W O B A F G K M, qui, dans cet ordre, vont des plus grandes températures de surface (37.000°) aux plus froides en surface (2.500°) et à chacune d’elles est affecté en outre un coefficient modérateur chiffré, allant de 0 à 9 (exemples: Soleil = G2, Arcturus = K1, Véga = A0)
Les lettres de tempérance spectrale ci-dessus, expriment l'opacité perceptible de certains spectres, causée par les constituants stellaires (hydrogène et métaux) riches en électrons et qui absorbent en partie les photons du spectre
-la magnitude astrale (3° symbole) apparaissant dans la dénomination d'une étoile est une échelle permettant de classer les astres en fonction de leur éclat lumineux (qui se trouve être environ proportionnel à leur masse)
-la famille de l'étoile (4° symbole)
Adjoint au classement de la magnitude (ci-dessus) des étoiles, y figure une information complémentaire dite "famille", qui représente un panaché des 2 qualités de l'étoile que sont son rythme énergétique et sa masse
Rôle et définition des rythmes énergétiques :
-type A (rythme normal) = tendance à compression, créée par la gravitation (accrétion de matière) avec échauffement (106K) et en opposition à ce phénomène: une réaction de fusion de l’hydrogène au centre (cœur) qui se transforme en hélium (cycle de catalyse par le carbone ou cycle de Bethe)
-type B (rythme de Chandrasekhar) = peu d’hydrogène, très forte pression, pas de rayonnement, extinction progressive
-type C (rythme post-hydrogène avec fusion créant du carbone)= le cœur se contracte, la température augmente (108K), avec réactions de fusion plus lentes
-type D (rythme de densification)= la gravitation -moins combattue- augmente, d’où cœur plus dense, avec corps internes plus lourds (fer) et pression élevée
-type E (rythme de puits gravitationnel)= les atomes explosent, se transforment en plasma de particules élémentaires, qui s’écroule vers le centre.
Une étoile standard (volume de 1030 m3, qui contient 1040 atomes ou ions) va alors devenir un bouillon de plasma où les ions sont empilés les uns près des autres et qui se réduisent alors à un volume de (1010) m3, soit un diamètre de l'ordre du kilomètre
En adjoignant aux rythmes ci-dessus la notion de masse, on détermine un classement de 14 familles d'étoiles ci-après:
On dénomme ci-dessous mé la masse de l’étoile et mc la masse de son cœur :
Si l’étoile a une mé < 1,6.1028 kg et est en rythme A c’est une naine brune
Si l’étoile a une mé < 1,6.1028 kg et est en rythme B c’est une naine noire
Si l’étoile a 1,6.1028 < mé < 1031 kg et est en rythme A c’est une naine standard-ou jaune- (dont le soleil)
-si une naine standard atteint les rythmes B ou C , c’est une naine bleue et si elle atteint un rythme D, c’est une naine rouge
-si en outre il y a des expulsions extérieures, c’est une nova
Si l’étoile a 1031 < mé < 1032 kg et est en rythme A c’est une géante
Si l’étoile a une mé > 1032 kg et est en rythme A c’est une supergéante
Si sa mc est < 2,8.1030 kg et est en rythme B c’est une naine blanche, de masse volumique # 1010 kg/m3
Si l'étoile a une masse comprise entre 2,8.1030 (dite masse de Chandrasekhar) et 6.1030 kg (dite masse de L.O.V) et est en rythme A : c’est une étoile à neutrons
Si 2,8.1030 (masse de Chandrasekhar) < mc < 6.1030 kg (masse de L.O.V) avec rythme C c'est une supernova
Si 2,8.030 (masse de Chandrasekhar) < mc < 6.1030 kg (masse de L.O.V) et est en rythme D avec une grande vitesse de rotation, c’est un pulsar
Si sa mc> 3.1030 kg et est en rythme E c’est un quasar , puis ultérieurement un trou noir stellaire
-exemple d'une référence d'étoile
Avec les divers symboles définis ci-dessus, l'appellation d'une étoile quelconque peut être par exemple (ω.Dra. B.1. 6,05. naine) ce qui signifie:
ω est la place de l'étoile dans la constellation du Dra(Dragon), B est sa classe spectrale, atténuée de type 1, sa magnitude est 6,05 et sa famille est naine
-classement général des étoiles
Si -sous forme d’abaque- on superpose la classe spectrale (2° symbole dans l'appellation) et la magnitude (autre caractéristique stellaire), on obtient le diagramme de Hertzsprung-Russel, classificateur des étoiles sous forme d’abaque
REACTIONS CHIMIQUES STELLAIRES
Les réactions usuelles sont -dans les étoiles- du genre fusion nucléaire, aux températures de 107 à 8 degrés K, comme :
21H + 21H >>> 32He + n ou >>> 32He + p (avec excédent d’énergie provenant de la perte de masse entre les éléments initiaux et finaux)
Et également la résonance stellaire où le 8Be et le 4He entrent en résonance pour produire du 12C
Fusion dans les étoiles
Le cycle de l’hydrogène est le phénomène de fusion des noyaux de H² qui, dans des réactions en série, produisent des noyaux d’hélium (dans les étoiles, on le nomme cycle de Bethe)
Les réactions sont du genre 4 1H + électrons >>>> 4He + 2 neutrinos
Divers corps légers (Be, Li, B, C, N) sont formés dans les réactions intermédiaires et jouent le rôle de catalyseurs
REACTIONS MAGNETIQUES STELLAIRES
Les étoiles présentent toutes un champ magnétique (10-2 Tesla pour le soleil, jusqu'à 1011 Teslas pour un magnétar, qui est une étoile à neutrons, émettant d'ailleurs en même temps des rayons X et gamma, à raison de plusieurs centaines d'émissions par heure
CARACTERISTIQUES PHYSIQUES des ETOILES
-la masse volumique (dite souvent à tort "densité")
Elle va de 102 à 1018 kg/m3 (1,4.103 pour le soleil et 1018 pour étoile à quarks)
-taille des étoiles
Les diamètres des étoiles vont approximativement de 107 à 1011 m. (dont # 109 m pour le soleil)
-parallaxe d’une étoile
C’est l’angle de "vue" d’un demi grand-axe de l’orbite terrestre depuis cette étoile .
On atteint la milliseconde d’arc dans les mesures actuelles de parallaxe
-distances des étoiles par rapport à la Terre
Distances moyennes par rapport à la Terre --exprimées en mètre(m) ou en unité astronomique(u.a) ou en année-lumière(a-l)
-soleil = 1,5.1011m, ou 1 u.a, ou 1,5.10-5al
-étoile à exoplanète discernable = 1,5.1017 m, ou 106 u.a, ou 1,5.10 a-l
-étoile au centre de la voie lactée = 2.10 20m., ou # 10 9u.a, ou 2.104a-l
-étoile d'une constellation proche = 1,5.1022m, ou 10 11u.a, ou 1,5.106a-l (cas d'Andromède)
-étoile aux limites de l'univers = 1,5.10 26m, ou 10 15u.a, ou 1,5.1010a-l
NAISSANCE, VIE et DISPARITION d'une ÉTOILE
-naissance
Les nuages de poussières et de gaz de l'espace sont l'objet de turbulences qui, dès lors qu'elles atteignent une certaine vitesse (200 m/s environ) causent une onde de choc génératrice de concentration de matière, sous forme de filaments de 3.1015 m. de largeur
Sous l'effet de la gravitation, il y a alors un échauffement, lui-même générateur d'une fusion de l'hydrogène, créant de l'hélium, pour apparition d'une étoile
Par la suite, des corps simples de plus en plus lourds sont créés, jusqu'au fer qui est le stade d'une stabilisation (car sa fusion consonne de l'énergie au lieu d'en apporter)
Dans les étoiles, il n'y a que 2% d'éléments lourds (contre 70% de H² et 28% de He)
Beaucoup plus tard, il y a concentration, échauffement jusqu'à 1011 degrés, puis éclatement de l'étoile, ce qui entraîne l'explosion et l'apparition de corps lourds (qui constitueront alors d'autres types d'astres)
-durée de vie d'une étoile en moyenne, 109 à 11 années
-dégénérescence stellaire
Dans certaines étoiles, la dégénérescence est la dégradation de l’état gazeux usuel vers une forme nouvelle, s'éloignant fort de la texture d'un gaz parfait.
La température de dégénérescence est :
T = (h².h*v2/3) / 2∏.m.k
où T(K)= dégénérescence
h(J-s)= constante de Planck (6,62606876.10-34 J-s)
h*v(particules/m3)= concentration moyenne particulaire volumique
m(kg)= masse des particules
k(J/K)= constante de Boltzmann (1,3806703. 10-23 J / K)
La pression de dégénérescence (p) est :
p = k.S.T.(h*v)5/3 mêmes notations et S(m²) a les dimensions d’une surface
TEMPÉRATURE et COULEUR des ÉTOILES
Leur température de surface va de 2.500 à 100.000° K (photosphère du soleil = 5700° K)
Leur température interne va de 106 à 8 K (par exemple soleil 5.106 en zone radiative et 2.107 en zone du noyau)
Leur couleur est fonction de la température de surface (comme tous les corps connus), donc :
-Aux environs de 1000° (et même beaucoup moins) : naines brunes
-Aux environs de 3000° : rouge (Antarès, Bételgeuse...)
-Aux environs de 4700° : jaune (Soleil 5800°)
-Aux environs de 6200° : vert (Sirius...)
-A partir de 9000°: bleu (Véga, Rigel...)
-A très haute température: naines blanches
GROUPES d'ETOILES (AMAS, GALAXIES, NEBULEUSES)
Voir chapître spécial
-fusion nucléaire dans les étoiles
PRINCIPE de la FUSION NUCLÉAIRE
Les noyaux des corps de faible numéro atomique(Z< 60) ont des énergies de liaison qui vont en croissant en fonction de Z, donc on récupère de l'énergie quand on les transmute en créant des corps selon un mode allant vers une augmentation de Z dans la classification de Mendéléiev.
Cette énergie est exprimée lors du phénomène de fusion de noyaux atomiques légers (à des températures > 108 degrés)
L'excédent d'énergie provient de la perte de masse entre les éléments initiaux et les éléments finaux.
DANS LES ETOILES
La fusion nucléaire a lieu sous les formes suivantes :
-le cycle de l’hydrogène c'est le phénomène de fusion des noyaux de H² qui, dans des réactions en série, produisent des noyaux d’hélium (on le nomme cycle de Bethe)
Les réactions sont du genre 4 1H + électrons >>>> 4He + 2 neutrinos γ
Divers corps légers (Be, Li, B, C, N) sont formés dans les réactions intermédiaires et jouent le rôle de catalyseurs
-le cycle C.N.O (carbone-azote-oxygène)
136C >>>donnant 147N + p + γ >>> puis donnant 158O + p >>> puis donnant 157N + e+ + n >>> puis donnant :
a))soit 168O + p + γ >>> qui donne 179F + p + γ >>> et qui donne 178O + e+ + n >>> redonnant 147N + p + α pour revenir au départ
b))soit 126C + p + α >>>donnant 137N + p + γ >>> redonnant 136C + e+ + n pour revenir au point de départ
Tout ceci avec émissions énergétiques
-le cycle C.N (carbone-azote)
126C + p donnant >>> 137N + β+ donnant >>> 136C + e+ + n qui, avec + p >> donne 158O + β+ >>> donnant 157N qui, avec + p >>> donne 126C + 42He
La récupération de 126C en fin de cycle, permet de recommencer le cycle (mais avec une température > 1010 K)
-groupes d'étoiles dont galaxies
Le nombre total des étoiles est # 1023 , chacune ayant une masse de 1028 à 33 kg
On les regroupe en divers éléments cités ci-après
AMAS STELLAIRES
Un amas ouvert est un groupe de # 103 à 4 étoiles, amas ayant masse moyenne est de 1033 kg et de dimension 1023 à 24 m
Un amas globulaire = groupe de # 105 à 6 étoiles ( masse de l’ordre de 1037 kg)
GALAXIES
Une galaxie (ou amas galaxique) est un ensemble de # 107 à 12 étoiles
-notre Galaxie, la voie lactée, est de type à spirales et constituée de # 200 milliards d'étoiles (donc 2.1011) et # 1000 milliards de planètes
Dimensions # 10 21 m.(grand axe) et 3.1019 m.(petit axe) -soit 105 sur 3.103 années-lumière
Sa masse est donnée par les formules de Newton et de Képler selon l’égalité
mG= Ω.v².l / G
avec mG(kg)= masse de notre galaxie
l(m)= distance du soleil jusqu'au centre de la galaxie
v(m/s)= sa vitesse par rapport à la galaxie
G(m3-sr/kg-s²)= constante de gravitation (8,385.10-10m3-sr/kg-s² )
Ω(sr)= angle solide d’espace (4∏sr, si on est en système d'unités S.I.+)
D’où mG# 3.1037 kg (car v # 2,6.105 m/s et l # 2.1016 mètres)
D’autres approximations statistiques donnent pour notre galaxie 1000 millions de masses solaires, soit une importance bien supérieure (1041 kg)
Son halo représente # 23 % de sa masse (il est constitué de vieilles étoiles, de poussières, de gaz)
Sa magnitude est de -20,9
Sa rotation sur elle-même = 254 km/s (sur un arc de cercle centré sur Nous)
La plupart des étoiles qui la constituent circulent entre 210 et 240 km/s
Le soleil fait une révolution galactique tous les 226 millions d'années
-notre voie lactée et ses voisines forment le Groupe local
La plus voisine est Omega Centauri (à # 1019 mètres de nous, soit 103al), puis Andromède -autre voisine- (à 2,2.1022mètres, soit 2.106al) et encore une vingtaine d'autres galaxies plus petites
-le groupe local, avec quelques autres familles galactiques, forment l'Amas de la Vierge
Masse de chacune des 1011autres galaxies (ex nébuleuses extragalactiques) >>> entre 1037 à 42 kg
-un super amas de galaxies groupe de 1012 à 13 étoiles avec une masse totale de l'ordre de 1041 à 44 kg et des dimensions de 1023 à 24 m
Le superamas contenant la voie lactée est nommé Laniakea
-un filament galactique groupe de 1014 à 16 étoiles et peut atteindre 4 à 5 milliards d'années-lumière de longueur (soit > 1025 m)
NÉBULEUSES
Une nébuleuse est un ensemble massique :
-soit inclant des étoiles en formation, donc constituées de gaz ou de petits éléments solides
Ces nébuleuses-là (ou nuages moléculaires) sont dites diffuses ou "par réflexion" ou obscures selon leur magnitude.
Leur densité particulaire h*v est de l’ordre de 10-6 molécule/m3
On nomme "H lI" (comme hydrogène ionisé) les régions où elles se forment
-soit concernant des étoiles en fin de vie
Celles-ci sont dites "en émission" avec comme cas particuliers : les planétaires (les morceaux sont assez gros) ou les "filamenteuses ou à bulles" selon leur aspect, quand elles sont les résidus de supernovas
CONSTELLATIONS
Le ciel a été ancestralement découpé en divers quartiers nommés constellations Les premières nommées furent celles formant une bande de part et d'autre de l'écliptique, découpée en 12 quartiers égaux constituant le zodiaque qui a hérité de 12 dénominations où les Anciens voulurent bien trouver des formes exprimées par des groupuscules d'étoiles apparaissant voisines à notre vue.
Ce sont, dans l'ordre en partant du point vernal : Poissons, Bélier, Taureau, Gémeaux, Cancer, Lion, Vierge, Balance, Scorpion, Sagittaire, Capricorne, Verseau
Plus récemment, 76 autres constellations ont été ajoutées pour couvrir la totalité de l'espace avec des délimitations équivoques et tortueuses, compte tenu qu'elles doivent aussi respecter plus ou moins une visibilité dans chacun des 2 hémisphères géographiques
Les ensembles d'étoiles formant chaque constellation ne sont que la représentation de la projection de leur image sur la voûte céleste et n'ont aucune corrélation entre elles (ni distance, ni magnitude, ni famille....)
Les Chinois ont d'autres découpages que les Occidentaux (280 constellations en tout, dont 28 concernant la zone écliptique)
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