L’actualité de l’OAMP Le cours à l’Observatoire
Historique de Marseille
liens
Mis à jour
le 10/09/16
 Les aurores boréales
 

Le cinéma des ours blancs
appelation due à Eve Christian

Le cinéma des ours blancs

Les aurores boréales ont été nommées ainsi parce qu’elles étaient connues au nord, l’hémisphère sud étant pratiquement inconnu pour les grecs et les latins.

C’est le navigateur portuguais Bartolomeu Dias qui a découvert le Cap de Bonne Espérance en 1488, soit 4 ans avant la découverte de l’Amérique par Christophe Colomb. Il venait d’ouvrir la véritable route des Indes, celle que Colomb recherchait à tort vers l’ouest. Avant cela, les portuguais avaient petit à petit exploré les côtes africaines, de plus en plus vers le sud. Bien sûr, Afrique du sud et Amériques étaient déjà peuplées, et le terme de découverte s’applique évidemment pour les populations du bloc occidental.

Les aurores boréales sont les aurores polaires qui se produisent dans le nord, les aurores australes étant leurs correspondantes au sud.

Historique

Les deux 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. Il a fallu attendre 1773 pour avoir une description des aurores australes par le capitaine Cook. Mais le plus intéressant est que les chroniques chinoises ont également noté des aurore boréales à la même date ! C’est ainsi que le premier lien a été établi entre les aurores polaires nord et sud.

En 1883, à 18 ans, 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.

Nature

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.

Les aurores ne se produisent pas n’importe où. C’est pourquoi on les qualifie de polaires. La Terre possède un champ magnétique qui 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 se rejoindre d’un pôle à l’autre. C’est effectivement le cas du côté jour de la Terre, mais du côté nuit, le vent solaire, formé de particules chargées et qui possèdent donc un champ magnétique, ouvre les lignes du champ terrestre vers l’opposé du Soleil.


Schéma de la magnétosphère crédit source inconnue

Lorsque les particules chargées du vent solaire approchent de la Terre, elles se trouvent piégées par les lignes du champ terrestre, et canalisées vers les pôles magnétiques. Les pôles magnétiques ne correspondant pas aux pôles géographiques, les aurores sont décalées par rapport à l’axe de rotation de la Terre.

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.

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


Trajet approximatif du pôle magnétique depuis 1903 (en rouge)

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 50 km / an en direction de la Sibérie.

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 :

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.

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 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, mais après interaction complexe avec la magnétosphère terrestre. 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 reconexion 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 dissioper 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.

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 nobservé le 26 février 2008.

Le nom de sous-orages magnétosphériques vient de leur association aux orages magnétiques qui se produisent côté jour, là où les particules du vent solaire frappent directement le bouclier magnétique terrestre.

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.

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 jour 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, 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 à 630,0 nm et 630,4 nm se produisent. Elles sont rouges, 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).

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
crédit 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 (en 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


Aurores 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).

L’axe magnétique d’Uranus 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…

---=OO=---