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Mis à jour
le 03/02/17
 Les aurores boréales
 

Le cinéma des ours blancs

appelation due à Eve Christian

Le cinéma des ours blancs

Les aurores boréales sont les magnifiques spectacles lumineux visibles dans le ciel la nuit, au nord. L’illumination du ciel qu’elles produisent a fait penser à l’aurore, et le qualificatif de boréale se justifie par leur localisation habituelle à haute latitude.

Historique

Les premières mentions connues sont dues à Anaximène de Milet, et à Xénophane de Collophon, au VIe siècle avant JC. Une tablette d’argile babylonienne datée de 567 avant JC les décrit aussi.

Après la découverte du Cap de Bonne Espérance en 1488, par le navigateur portuguais Bartolomeu Dias, il a fallu attendre 1773 pour que le capitaine James Cook décrive le même phénomène dans l’hémisphère sud. On les a appellées tout naturellement aurores australes. Le plus intéressant est que les chroniques chinoises ont également noté des aurores boréales à la même date ! C’est ainsi que le premier lien a été établi entre les aurores boréales et australes. Il devenait nécessaire de les désigner d’un terme générique : aurores polaires.

En 1883, à 18 ans, le néerlandais Pieter Zeeman a publié dans la revue Nature une magnifique description des aurores boréales. Il a eu pour cela les félicitations de l’éditeur de la revue.

Mais pour comprendre le phénomène, il fallait connaître le magnétisme terrestre. Ce qui fut fait par l’astronome anglais William Gilbert, qui a construit une sphère présentant un barreau aimanté à l’interieur. En promenant une boussole à sa surface, il a montré que celle-ci s’oriente bien vers les pôles de l’aimant. Ceci étant acquit, le physicien Kristian Birkeland a construit une machine, nommée Terella (en latin, petite Terre), dans laquelle il a pu simuler des aurores polaires.

Apparences

Les aurores polaires sont des manifestations lumineuses, ténues puisqu’on peut voir les étoiles à travers. Elles sont faibles, et visibles seulement la nuit. Même la lune gène leur observation, sans toujours l’empêcher. Ce sont des phénomènes passagers, apparaissant brutalement, et disparaissant de même. Leurs durée varie de quelques minutes à quelques heures. Elles peuvent être légères ou très intenses. Elles dessinent en général des draperies mouvantes sur le ciel, mais peuvent prendre bien d’autres formes. Elles sont principalement de couleur verte, mais on y voit parfois du rouge, au-dessus du vert. Plus rarement, elles se teintent de violet ou de jaune…

La faible intensité de cette lumière ne permet pas toujours d’en voir les couleurs. A l’œil, elles apparraissent parfois grises… C’est parce que notre œil les perçoit par les bâtonnets, cellules de la rétine les plus sensibles, mais indifférentes aux couleurs. Pour voir les couleurs à l’œil, il faut que l’intensité soit suffisante. Par contre, avec un appareil photo, on peut poser assez longtemps pour recueillir assez de lumière. L’appareil montre simplement ce que notre œil n’est pas capable de perçevoir.

Les aurores sont localisées vers le nord (ou sud), mais plus précisément, leur observation prolongée a montré qu’elles se produisent le long d’anneaux auroraux, qui sont à peu près centrés sur les pôles magnétiques. De plus, le diamètre de ces anneaux est variable, et se montre corrélé avec l’activité solaire. Losque le Soleil est calme, les anneaux auroraux sont petits, et restent proches des pôles. Au contraire, lorsque l’activité solaire est intense, ils s’agrandissent, et descendent en latitude. Ils peuvent ainsi, de temps en temps, arriver jusqu’à la latitude de Marseille. Parfois plus encore.

Activité en direct

Un site web permet de voir en direct l’activité aurorale nord. Il est basé sur les observations des satellites THEMIS.

Pour l’Europe, un site norvégien donne une prévision plus fine. En bas de la page se trouve une carte indiquant les valeurs de Kp qui permettent de voir des aurores en fonction de la latitude.

Manifestations exceptionnelles

En 1859, une éjection de masse coronale extraordinaire, nommée événement de Carrington, a été émise par le Soleil, à une vitesse telle qu’elle a atteint la Terre en 17 heures ! L’anneau auroral nord s’est tellement agrandi, qu’ils a atteint Panama, d’où on a aperçu des aurores boréales ! Mais il a y eu des phénomènes plus inquiétants. Les lignes télégraphiques ont reçu des décharges électriquees, qu’elles ont transmis aux manipulateurs. Si un tel événement se produisait aujourd’hui, nous aurions tout à craindre pour nos matériels électroniques, satellites en tête.

Mais ce paroxysme est rare, on estime qu’il se produit deux fois par millénaire. Toutefois, des événements moins brutaux sont encore impressionants. Une éruption a provoqué une gigantesque panne de courant au Canada, le 13 mars 1989. D’autres événements se sont produits, mais on cherche à s’en protéger maintenant.

Nature

Les observations mentionnées ci-dessus ont montré que les aurores étaient associées à des phénomènes électriques (particules chargées), à l’activité solaire, et au champ magnétique de la Terre. D’autre part, les couleurs qu’elles montrent, toujours semblables, donnent une piste pour comprendre le mécanisme de leur émission.

Ce sont des phénomènes de luminescence qui se produisent dans la haute atmosphère, entre 80 et 1.000 km d’altitude. Les particules chargées du vent solaire (protons, électrons, noyaux d’hélium), issues des trous coronaux, arrivent à une vitesse de 200 à 1.000 km/s, selon l’activité solaire. Cette vitesse élevée leur confère une énergie cinétique importante, qui leur permet, par chocs, d’exciter ou d’ioniser les atomes de la haute atmosphère. Les électrons libérés se recombinent rapidement avec les noyaux. Tous les électrons retombent en cascade sur les niveaux d’énergie basse. Ils produisent ainsi des raies d’émission bien précises, donnant leurs couleurs aux aurores.

Magnétosphère

Le champ magnétique terrestre est, en première approximation, bipolaire (comme un barreau aimanté, ou dipôle). Il présente un pôle nord et un pôle sud. Attention, le pôle magnétique qui se trouve dans l’hémisphère nord est actuellement un pôle sud…

Ce dipôle produit des lignes de champ qui devraient normalement être fermées, et se rejoindre d’un pôle à l’autre. Mais la pression exercée par le vent solaire (particules chargées, produisant elles-même un champ magnétique) écrase ces lignes du côté jour (tourné vers le Soleil), et les étire du côté nuit à l’opposé du Soleil. L’étirement est assez important pour que les lignes extérieures s’ouvrent sur l’espace interplanétaire (lignes noires en haut et en bas du schéma). Les lignes intérieures, moins perturbées, restent fermées. Les lignes ouvertes partent des pôles.

Les lignes ouvertes peuvent se refermer, et cela se produit normalement à une centaine de rayons terrestres (soit ≈ 600.000 km) en période calme. Cette fermeture se nomme reconnexion magnétique. Mais une forte activité solaire rapproche toutes les lignes, et peut produire un phénomène de reconnexion à une trentaine de rayons terrestres (soit ≈ 20.000 km). C’est cette seconde reconnexion qui produit les aurores les plus belles.

Le vent solaire arrivant à très grande vitesse, se heurte aux atomes de la haute atmosphère de la Terre. Lorsqu’il y pénètre, sa vitesse est largement supérieure à la vitesse du son dans ce milieu ténu (la vitesse du son est d’autant plus grande que le milieu est plus dense). Il y produit donc un choc, semblable au bang produit par les avions qui franchissent le mur du son. Cette zone de choc (séparant les deux zones bleues sur le schéma), est la limite extérieure de la magnétosphère terrestre. Elle englobe la magnétogaine (bleu foncé sur le schéma).

La magnétogaine est la zone où les particules du vent solaire pénètrent, après avoir déposé une partie de leur énergie dans le choc (énergie transformée en chaleur). Cette zone est turbulente. Les particules y sont plus denses que dans le vent solaire au voisinage de la Terre.

La limite interne de la magnétogaine est nommée magnétopause (entre les zones bleue et verte). C’est une surface limite : à l’extérieur (dans la magnétogaine), le champ magnétique est dominé par celui produit par le vent solaire ; à l’intérieur, c’est le champ terrestre qui domine. Les particules provenant du vent solaire qui franchissent la magnétopause se trouvent dans le domaine terrestre et peuvent y rester piégées. La magnétopause est une frontière entre le milieu interplanétaire et le milieu terrestre, et nous protège de l’essentiel du vent solaire qui ne peut y pénétrer.

On voit ensuite une zone appelée manteau (en vert), dans la queue de la magnétosphère. La matière qui s’y trouve se déplace vers la pointe de la magnétosphère, à l’opposé de la Terre. Elle est assez dense, et entoure les lobes (en blanc), régions les moins denses de la magnétosphère, où l’on trouve moins d’une particule par cm3.

Schéma de la magnétosphère crédits Chih-Ping Wang, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences at UCLA

A l’intérieur des lobes, se trouve une région nommée couche neutre. Le champ magnétique y est orienté différemment au nord et au sud : au nord, il est dirigé vers la Terre, au sud il lui est opposé. Son intensité est nettement plus faible que dans les lobes, mais la densité du plasma plus élevée. Ceci s’explique par la convergence des particules dans cette zone rétrécie.

Près de la Terre, l’effet de la rotation de celle-ci produit des régions qui maintiennent la couche neutre au loin, la limite étant vers les 40.000 km. En s’approchant de la Terre, on traverse la ceinture de Van Allen (en rouge), région où la densité électronique est très élevée. Elle présente un danger pour les vaisseaux spatiaux. Enfin, la plasmasphère est une petite région entourant la Terre aux basses latitudes, dans laquelle le plasma est entraîné par la rotation de la Terre, et tourne avec elle. Il y est en corotation.

Les aurores se produisent dans les régions polaires, là où les lobes les atteignent.

Entre les zones magnétiques côté jour et côté nuit, on voit des trous dans le manteau (vert) qui atteignent les pôles de la Terre. Ce sont les cornets polaires, et ils sont tournés vers le côté jour par la disymétrie du magnétisme.

Le pôle magnétique

Les pôles magnétiques sont-ils confondus avec les pôles de rotation ? Non. L’origine du champ magnétique terrestre tient dans les mouvements de matière chaude dans le noyau, et cette matière est entraînée par la rotation de la Terre. L’axe magnétique n’est donc pas trop éloigné de l’axe de rotation, mais ils ne sont pas confondus. De plus, puisque le magnétisme est produit par un mouvement, sa stabilité dépend de la régularité du mouvement. Cette régularité n’étant pas parfaite, il s’ensuit des variations de l’axe magnétique, et donc un déplacement des pôles magnétiques à la surface de la Terre.

Trajet approximatif du pôle magnétique depuis 1903 (en rouge) fond de carte domaine public

Ainsi, le pôle magnétique situé dans l’hémisphère nord s’est déplacé depuis 104 ans de 1.000 km. Sa vitesse est variable ; actuellement, il se déplace rapidement, de plus de 55 km / an en direction de la Sibérie. En plus, l’axe qui relie les deux pôles magnétiques ne passe pas exactement par le centre de la Terre…

Observations scientifiques

La beauté des aurores motive bien des personnes pour se rendre dans un lieu propice et prendre photos et films. Mais l’origine électromagnétique des aurores présente aussi des conséquences fâcheuses, car l’énergie qui est à leur origine perturbe tous les équipements électroniques :

Etude des aurores

La prévision, si ce n’est des aurores, tout au moins de leurs causes, est donc un problème intéressant qui justifie ce genre d’études.

Par ailleurs, les aurores étant la conséquence des interactions entre les particules solaires et la magnétosphère terrestre en sont aussi un traceur. C’est pourquoi les caméras plein ciel sont des outils scientifiques.

L’étude du milieu dans lequel se produisent les aurores est capitale pour ses applications. C’est un gaz ionisé, un plasma, baignant dans un champ magnétique. Il est à notre portée, et son étude est facile. Par contre, il n’est pas possible de le reproduire fidèlement en laboratoire. Il nous offre donc une magnifique opportunité expérimentale. Les applications vont de la physique de la couronne solaire (dans laquelle des reconnexions magnétiques produisent les CME) à celle du réacteur de fusion ITER (plasma de deutérium et tritium dans un fort champ magnétique Il s’y produit également des reconnexions qui perturbent le fonctionnement).

Mission Thémis

La mission Thémis (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) comprend 5 satellites, et une vingtaine de petites stations au sol en Amérique du nord. Ces dernières comprennent des caméras fisheye, ou caméras plein ciel, premettant d’avoir une couverture premanente des zones aurorales.

Les 5 satellites Thémis ont été lancés le 17 février 2007. Ils ont été placés sur des orbites terrestres elliptiques, les amenant à l’aphélie dans la queue magnétique de la Terre. Les excentricités, et donc les périodes, ont été déterminées de telle manière que les 5 satellites soient en même temps à leur aphélie, tous les 4 jours, de manière à effectuer des mesures simultanées de la magnétosphère. Evidemment, celui dont l’apogée est le plus proche de la Terre effectue plusieurs orbites pendant que celui dont l’apogée est le plus lointain en effectue une seule.

Mécanisme des aurores

Les aurores boréales terrestres sont bien produites par le vent solaire et les éjections de masse coronale, mais après interaction complexe avec la magnétosphère terrestre. Tout d’abord, la magnétosphère terrestre normale est le résultat de l’action du vent solaire (normal) sur le champ magnétique terrestre. Un équilibre se fait entre les influences de ces deux composantes.

Lors d’épisodes intenses, comme les éjections de masse coronale, l’équilibre est rompu, et des phénomènes plus énergétiques se produisent. Mais dans tous les cas, les particules qui produisent les aurores proviennent de la queue magnétosphérique de la Terre, pas directement du Soleil.

En arrivant du Soleil à grande vitesse, les particules sont déviées par le champ magnétique, et selon leur énergie, peuvent pénétrer dans les lobes magnétosphériques. Elles suivent alors les lignes de champ vers la pointe des lobes, au point neutre. Ces particules chargées augmentent à la fois les courants électriques et le champ magnétique. Les influences réciproques de ces phénomènes sont responsables de l’inversion de vitesse des particules, qui repartent vers la Terre, et de leur accélération.

On connait deux mécanismes capables de produire ces effets, et les recherches actuelles essayent de faire la part entre les deux. Ce sont la reconnexion magnétique, et la disruption de courant. On peut les voir comme complémentaires, l’un étant électrique et l’autre magnétique.

Les disruptions de courant sont le problème numéro un qui se pose pour réussir la fusion nucléaire dans un Tokamak, actuellement ITER. Ces machines sont le siège de champs magnétiques extrêmement intenses, et de courants très forts. Les mêmes ingrédients que dans la queue magnétosphérique.

La reconnexion magnétique est le rapprochement des deux côtés d’une boucle de champ, produit par un déplacement de matière en général. Les deux côtés étant de polarités différentes, ont tendance à s’attirer, et peuvent se rejoindre. Lorsque cela se produit, les lignes se brisent brutalement, et se renconstituent différemment. Juste après ce réarrangement, les deux nouvelles boucles se repoussent violemment. Dans la queue magnétosphérique, des masses chargées sont donc propulsées vers la point de la magnétosphre, et vers la Terre.

Elles infléchissent les lignes du champ terrestre, et produisent la magnétosphère, ou queue magnétique de la Terre. Les particules du vent solaire se précipitent donc dans cette queue, où elles accumulent une colossale énergie. Etant chargées, de forts champs magnétiques se produisent là. Les lignes de champ voisines, présentant des polarités différentes, s’attirent et finissent par fusionner. C’est ce qu’on appelle la reconnexion magnétique, qui est également à l’œuvre dans la couronne solaire, et qui est sans doute responsable de son chauffage.

Ces phénomènes de reconnexion dans la magnétosphère sont appelés sous-orages magnétosphériques. Ils ont pour effet de dissiper beaucoup d’énergie, qui est en partie communiquée aux particules du vent solaire, en les accélérant fortement en direction de la Terre. Ce sont ces particules qui produisent les brillantes aurores, dont la durée peut atteindre plusieurs heures.

Pourquoi parler de sous-orage ? Parce que la notion d’orage magnétique existait déjà. C’est une activité magnétique importante durant de quelques heures à quelques jours (et dépassant donc l’alternance jour-nuit). Phénomène global, l’orage magnétique produit, au niveau de la magnétosphère interne (proche de la Terre, et tout autour), un courant annulaire. Les épisodes plus brefs identifiés plus tard pendant les orages, ont donc pris le nom de sous-orages. Puis ils ont été observés en l’absence d’orage, les conditions nécessaires à leur manifestation se réalisant donc aussi en dehors des orages.

L’un des buts de Thémis est de mieux comprendre ces phénomènes de reconnexion et de sous-orages magnétosphériques, avec un espoir de prévision en tête. Un phénomène complet a été observé le 26 février 2008.

L’association entre les satellites et les stations au sol doit permettre de faire la liaison entre les phénomènes électromagnétiques dans la magnétosphère avec leurs conséquences au sol.

anneaux auroraux

Les interactions entre ces particules et le champ terrestre sont complexes, et définissent des anneaux auroraux, qui entourent les pôles, et où les aurores se produisent essentiellement. Mais l’énergie des particules du vent solaire influe beaucoup sur la dimension de ces anneaux. Lorsqu’il est faible (vitesse en-dessous de 400 km/s), l’anneau auroral est de petit diamètre, et donc les aurores se produisent près des pôles magnétiques. Lorsque l’énergie des particules est plus importante, les anneaux s’agrandissent, et descendent vers les latitudes plus basses. C’est pourquoi, en période (rare) d’activité très intense du Soleil, des aurores sont visibles en France jusqu’à Marseille. L’intensité dépend de nombreux paramètres, en particulier de l’orientation du champ magnétique solaire : lorsqu’il est orienté à l’inverse du champ terrestre, les phénomènes magnétiques sont amplifiés, et aussi les aurores.

De plus, le pôle se déplaçant d’année en année, l’anneau auroral le suit :

Indice Kp

Un indice a été créé pour tenter d’évaluer la probabilité d’observer une aurore. Son nom vient de planetarische Kennziffer, où les lettres sont curieusement inversées. Il mesure l’activité géomagnétique (le champ magnétique terrestre) sur les trois dernière heures. L’indice Kp change donc tout le temps, et indique la probabilité à très court terme de voir une aurore.

Le champ magnétique terrestre est produit essentiellement par des mouvements de matière dans le noyau de la planète, mais il est fortement influencé par le flot de particules provenant du Soleil. Il est donc constamment variable. Ses variations peuvent se subdiviser en :

Il y a donc deux choses à considérer :

Lorsqu’on observe l’activité solaire, on le fait par des voies électromagnétiques : rayon X, visible. C’est ainsi qu’on détecte la formation des trous coronaux avec un retard de 8 minutes (temps mis par la lumière pour nous parvenir). La matière qui s’en échappe est éjectée à grande vitesse, mais elle met de 2 à 4 jours pour atteindre la Terre. C’est lorsqu’elle y parvient qu’elle produit les influences sur le champ magnétique terrestre.

Cette grande différence de vitesse entre la lumière et les particules nous donne, après la détection d’un nouveau trou coronal, un délai de deux à quatre jours pour se préparer à observer des aurores. Mais il faudra attendre les dernières heures avant pour savoir si, localement, on aura une chance d’en voir…

L’indice Kp est défini pour permettre cette prévision à très court terme. Il se base sur l’activité magnétique terrestre résultante. Il est défini sur une échelle fermée (fermée signifie qu’il y a une plus petite et une plus grande valeur) entre 0 et 9.

Cette définition est plus difficile à faire qu’il n’y parait. En effet, outre les variations dans le temps, le champ terrestre présente aussi de grandes variations dans l’espace : en des lieux même relativement proches, il peut prendre des valeurs assez différentes. C’est ce qui fait la difficulté d’en tirer un indice global.

On définit d’abord un indice K, qui reflète directement l’intensité du champ magnétique terrestre en un lieu donné. Ensuite, en regroupant les indices ainsi mesurés en diverses stations sur Terre, on en déduit le Kp qui est une moyenne pondérée.

Plus le Kp est élevé, plus les aurores descendent en latitude. En Europe, avec une valeur de 1 à 2, seul le nord de la Norvège est concerné. Lorsque la valeur du Kp augmente, l’anneau auroral descend vers le sud. Il faut un Kp maximum, pratiquement 9, pour avoir une petite chance de voir des aurores en France…

Les raies spectrales

Les lumières aurorales sont dues à des transitions électroniques produites à partir d’états métastables. Métastable signifie que l’état excité dure très longtemps par rapport à la durée de vie d’un état instable (10-8 à 10-9 s). Alors, avant de se désexciter spontanément en émettant sa raie, l’atome peut parcourir une grande distance. Si, au cours de ce périple, il rencontre un autre atome, le choc détruit l’état, et la raie ne sera jamais émise. Pour qu’elle le soit, il faut donc que l’atome ait la possibilité de franchir une telle distance sans en rencontrer d’autres, donc que la densité soit très faible. C’est pourquoi ces états métastables nécessitent une densité très faible pour produire de la lumière.

La plus importante de ces raies est à 557,7 nm, de couleur verte caractéristique. Elle est due à une transition à partir d’un état métastable de l’oxygène atomique (1S → 1D, raie interdite), de durée de vie 0,7 s. Pour qu’elle puisse se produire, il faut donc que l’atome reste dans cet état pendant une durée au moins égale, sans subir de choc. Un milieu suffisamment raréfié pour cela se trouve vers 100 km d’altitude. C’est cette raie qui confère aux aurores leur couleur dominante.

Plus haut, vers 250 km, la masse volumique de l’air n’est plus que de 10-8 g cm-3, et deux raies de l’oxygène atomique à 630,0 nm et 630,4 nm se produisent. Elles sont d’un rouge foncé, et proviennent d’états métastables de durée de vie 110 s (de durée de vie beaucoup plus longue, donc nécessitant un milieu plus raréfié encore, ce sont aussi des raies interdites).

L’azote atomique produit une autre raie rouge 520 nm. La stratification de l’atmosphère diminue le taux d’azote avec l’altitude, et au-dessus de 200 km l’oxygène est le plus abondant. C’est pourquoi les raies de l’azote se voient au-dessous de celles de l’oxygène.

Enfin, l’azote moléculaire, cers

Une raie jaune est aussi produite par l’oxygène, mais moins intense. Enfin, l’azote produit les raies violette (391,4 nm) et bleue (427,8nm).

Aurore vue depuis la navette spatiale crédits AURA:STScI, NASA

Cette photo montre une aurore prise depuis la navette spatiale. Vue d’en haut, elle a l’avantage de montrer la stratification entre les parties rouges et vertes, illustrant parfaitement la production de ces raies à des altitudes (des densités) différentes.

Voyage vers les aurores

Ce voyage a consisté en une navigation de Bergen à Kirkeness, à bord de l’express-côtier (Hurtigruten), en une semaine. Les ponts du navire offrent de beaux observatoires, et le bateau permet à la fois de se loger, et d’être disponible 24 h / 24 pour faire des observations si les conditions sont favorables.

Les aurores boréales, comme leur nom l’indique, se produisent préférentiellement dans les régions polaires, c’est donc là qu’il faut se rendre pour espérer en voir. Il est grandement préférable qu’il fasse nuit, et le choix de l’hiver polaire s’impose.

Trajet du bateau

34 ports sont atteints par le bateau au cours de son périple, qui comprend presque toute la côte norvégienne. Le périple nous amène de 60° à 71° nord. Il représente un trajet de 2.400 km (pardon, il faut dire 1.296 milles nautiques…). Kirkenes est à quelques centaines de mètres de la frontière russe.

Le bateau navigue bien sûr jour et nuit (et au début janvier, c’est presque toujours de nuit…). En l’absence de train, c’est le moyen d’approvisionner les populations du Nord du pays. C’est aussi un bus, leur permettant de se déplacer de port à port. Enfin, il associe une activité de croisière, qui rentabilise la navigation.

Et maintenant, quelques photos et un film

Des aurores sur d’autres planètes

Mars

Le cas de la planète Mars est différent de celui de la Terre. Mars n’a pas de champ magnétique actuel, comme notre planète. Cependant, elle possède un champ fossile, figé dans les roches, et mémoire de l’époque où elle était active. Ce champ n’a auncune raison d’être dipolaire comme le nôtre, et sa structure est bien plus chaotique. Aussi, des aurores se produisent-elles dans l’atmosphère de la planète rouge, mais leur localisation n’a pas le caractère régulier observable chez nous.

De plus, les aurores sont des luminescences produites par des particules énergétiques sur les atomes de l’atmosphère. Ceux-ci sont excité, et émettent la lumière en se désexcitant. Les raies émises sont caractéristiques des atomes excités, pour la Terre ce sont l’oxygène et l’azote. Ces gaz étant très rares sur Mars, les aurores n’auront pas le même aspect. En fait, elles ont été observées en ultraviolet, et ne se produisent probablement pas dans le visible.

Carte des aurores sur Mars crédit ESA/CNRS

Le champ rémanent de Mars est toutefois bien faible pour expliquer simplement ce phénomène. Il restera donc à découvrir comment les particules du vent solaire peuvent bien être accélérée, de façon à acquérir l’énergie suffisante pour le provoquer.

Jupiter

Les possibilités d’observation dont on dispose aujourd’hui avec les moyens spatiaux nous permettent d’imager avec précision les autres planètes du système solaire. On a ainsi obtenu des photots d’aurores polaires sur Saturne, Jupiter, et même Mars malgré la faiblesse de son atmosphère. Bien entendu, sur cette dernière les conditions équivalentes à celles qui produisent les aurores sur Terre se rencontrent à bien plus basse altitude.

Aurore sur Jupiter crédit John T. Clarke (U. Michigan), ESA, NASA
Aurore sur Jupiter (HST) crédit John T. Clarke (U. Michigan), ESA, NASA

On voit parfaitement l’anneau auroral, mais il y a plus : le point très lumineux est bien une aurore, mais non produite par les particules du vent solaire ! En effet, les particules qui la créent proviennent de Io, elles sont ionisées, et piégées elles aussi par le champ magnétique de la planète. Elle produisent une lumière 1.000 fois plus intense que celle due aux particules solaires… Par conséquent, si les aurores sont toujours produites par des chocs de particules sur une atmosphère, l’origine de ces particules peut être diverse.

Aurore collisionnelle sur Jupiter (HST)
crédit NASA and John T. Clarke (Univ. of Michigan)

Encore une autre source : les fragments de la comète Shoemaker-Lévy 9 ont percuté Jupiter entre les 16 et 22 juillet 1994. L’énergie dégagée par ces chocs a éjecté de la matière à très haute température (jusqu’à 24.000 K). Aussi cette matière était-elle animée d’une grande vitesse et ionisée. Ces particules ont alors été piégées dans le champ magnétique de Jupiter, en ont suivi les lignes, et sont allé percuter l’atmosphère où elles ont produit les aurores visibles sur la photo ci-dessus. Ces aurores se sont situées à une latitude jamais observée dans l’atmosphère de Jupiter.

Saturne

Aurore sur Saturne crédit NASA

Uranus

Aurore sur Uranus
crédit Laurent Lamy / Observatoire de Paris / CNES / ESA / NASA

Les aurores polaires d’Uranus ont été découvertes en janvier 1986 par la sonde Voyager 2. C’étaient des aurores permanentes, visibles du côté nuit de la planète.

Les photos ci-dessus sont des montages, car les différentes parties des images ne sont pas visibles aux mêmes longueurs d’ondes :

Ces images ont été obtenues dans des circonstances très particulières : la Terre, Jupiter et Uranus étaient alignées avec le Soleil ! Les chercheurs ont attendu une éruption solaire, qui a été détectée par des satellites en septembre 2011 (satellites Stereo). La vitesse des particules était de 500 km/s. Deux jours après, la Terre a connu des aurores intenses, et les particules ont été détectées par les satellites de la NOAA. Quinze jours après des aurores se produisaient sur Jupiter. Enfin, deux mois plus tard, elle se produisaient sur Uranus. La possibilité d’observer ces interactions du vent solaire avec les atmosphères des trois planètes apporte beaucoup de nouvelles informations sur l’activité et l’influence du Soleil.

Ces nouvelles aurores sont visibles du côté jour de la planète. Elles produisent des éclairs qui durent quelques minutes, et restent localisés. N’oublions pas qu’Uranus tourne autour d’un axe pratiquement inclus dans le plan orbital : elle roule sur son orbite. Ainsi, les conditions d’éclairement aujourd’hui (début de l’automne) sont très différentes de ce qu’elles étaient lors du passage de Voyager 2 (près du solstice d’été).

De plus, son axe magnétique est incliné de 60° par rapport à l’axe de rotation. C’est extrêmement différent des quelques degrés correspondant sur Terre.

Conclusion

La science nous donne maintenant une connaissance étendue de ces merveilleux phénomènes ; elle a cependant des limites, puisque nous ne savons toujours pas s’il y a des ours blancs pour voir ce cinéma sur les autres planètes…

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