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Aurores boréales et australes

Qu'est-ce qu'une aurore ?

   Catégorie : lumière et photon
Mise à jour 01 juin 2013

Une aurore polaire, appelée aurore boréale dans l'hémisphère nord et aurore australe dans l'hémisphère sud, est un phénomène lumineux caractérisé par des sortes de voiles extrêmement colorés dans le ciel nocturne. Ces grands voiles lumineux apparaissent comme un rideau de lumière diffus ressemblant à un nuage plus clair que les autres qui va se mettre à bouger très rapidement et s'intensifier jusqu'à faire apparaitre des raies de lumière impressionnantes de plusieurs milliers de kilomètres, dit Christophe Perez (photographe chasseur d'aurores boréales).
Ce voile est provoqué par l'interaction entre les particules chargées du vent solaire et la haute atmosphère, les aurores se produisent principalement dans les régions proches des pôles magnétiques, dans une zone annulaire justement appelée « zone aurorale » (entre 65 et 75° de latitude magnétique).
Elle se forment donc dans les régions de hautes latitudes de la Terre et apparaissent sous de nombreuses formes différentes. La longueur de l'aurore peut mesurer plusieurs milliers de kilomètres, mais sa largeur peut ne pas dépasser les 100 mètres.
Les mécanismes profonds de création de telles aurores, sont un sujet d'étude qui tiennent en haleine les scientifiques, depuis des années, d'où la mission THEMIS ci-dessous.

nota : Le Soleil éjecte, non seulement des photons, mais aussi des protons et des électrons extrêmement énergétiques qui constituent le vent solaire.

 aurore en antarctique

Image : Cercle des aurores australes

 aurore boréale

Image : Cercle des aurores boréales

Formation de l'aurore

    

C’est dans l'espace à plusieurs milliers de kilomètres de notre planète que ces phénomènes prennent naissance. La couronne solaire émet ce vent de plasma extrêmement chaud sous forme de particules énergétiques (électrons et ions) qui se déplacent à environs 450 km/s.
Ce phénomène est du, à l'arrivée de particules chargées, éjectées par le Soleil qui entrent en collision avec le bouclier magnétique de la Terre.
Ces particules électrisées à haute énergie sont alors captées et canalisées par les lignes du champ magnétique terrestre vers les cercles polaires. Les électrons et parfois les protons excitent ou ionisent les atomes de la haute atmosphère (l'ionosphère). Les atomes excités, ne peuvent rester dans cet état, un électron qui change de couche, libère un photon. Cette ionisation provoque la formation de l'arc auroral, dont la couleur dépend des atomes ionisés et de l'altitude, d'où les variations de teintes que nous apercevons dans le ciel à des altitudes comprises entre 80 et 1 000 km.

 aurore en arctique

Image : Aurore boréale prise par Gilles Boutin, chasseur d'aurores boréales du Québec Nordique.

 

Image : Se produisant à une altitude entre 80 et 1 000 km, les aurores sont aussi, visibles depuis l’espace.

La mission Thémis

    

Les satellites de la mission Thémis ont été lancés en février 2007 par la NASA pour évoluer au cœur de la magnétosphère terrestre. Ceci afin d'étudier les phénomènes explosifs à l'origine des aurores boréales, appelé les sous orages magnétiques.
Les particules du vent solaire à l'origine des aurores, sont émises par le soleil sous la forme d'un plasma extrêmement chaud projeté vers la Terre.
C’est la couronne solaire qui émet ce vent de plasma sous forme de particules énergétiques (électrons et ions) qui se déplacent à environs 450 km/s.
Ce plasma vient interagir avec les objets du système solaire et en particulier avec le champ magnétique de la Terre. Ce vent de plasma dans son voyage interplanétaire, rencontre le bouclier magnétique terrestre qu'il va comprimer et l'essentiel du plasma sera dévié, et contournera la Terre.

aurore et bouclier terrestre

Image : Vent de plasma rencontrant le bouclier magnétique terrestre.

Ce bouclier magnétique est poreux et une partie du plasma s'accumule dans la banlieue de la Terre, c’est dans ce gigantesque réservoir de plasma que se déclenchent les sous orages. Plusieurs fois par jour des salves de particules sont ainsi projetés vers la Terre et déclenchent des aurores. Pour assister en direct au déclenchement des aurores, des scientifiques de l'université de Berkeley en Californie, ont envoyé cinq petits satellites à différentes distances de la Terre pour avoir une vision multipoints du phénomène.

 

Depuis décembre 2007, ces satellites ne ratent rien de ce magnifique spectacle naturel.
Les satellites s'alignent tous les 4 jours au dessus de l'Amérique du nord dans le prolongement de l'axe Soleil - Terre, c’est à dire dans la queue magnétique de notre planète comme ci-dessous.

thémis

Les satellites Thémis sont conçus pour suivre le flux d'énergie d'un satellite à l'autre. Les météorologues font de même en plaçant des bouées dans l'océan, pour suivre de grandes vagues qui se déplacent d'une bouée à l'autre. Ces satellites suivent donc les sous orages et le déclenchement du vent solaire jusqu'aux pôles grâce aux capteurs et magnétomètres de bord.
Les particules qui se propagent le long des lignes magnétiques de la Terre les déforment, en mesurant les variations du champs magnétique à différents endroits, les satellites suivent le déplacement des particules. Une vingtaine d'observatoires terrestres étudient aussi les aurores depuis la Terre ferme.
Grâce à la vision multipoints de Thémis et à la vision terrestre de ces observatoires, les scientifiques ont une vision plus spatiale des données récoltées.
La fin de la mission Thémis est prévue en 2012.
Elle devrait permettre d'élucider le secret de la formation de ces aurores et ainsi prévoir les aurores qui provoquent dans l'atmosphère terrestre des perturbations électromagnétiques, dans les différents réseaux électriques, le GPS, les communications radio, les satellites.

 bouclier terrestre

Image : Le vent solaire comprime le champs magnétique terrestre mais le vent de plasma, pour l'essentiel, contourne le bouclier magnétique terrestre.


Themis

Image : Les 5 satellites de la mission Thémis ont été lancés en février 2007 par la NASA. Pour assister en direct au déclenchement des aurores, des scientifiques de l'université de Berkeley en Californie, ont envoyé ces cinq petits satellites à différentes distances de la Terre, pour avoir une vision multipoints du phénomène.

Aurores sur les planètes

    

Pour que les aurores polaires soient visibles sur une planète, il faut qu'elle soit entourée d'un champ magnétique, afin de dévier les particules du vent solaire vers les pôles magnétiques.
Les aurores apparaitront alors sur un ovale tout autour d'un pôle magnétique, voilà pourquoi on ne peut les observer qu'à certaines latitudes, notamment près des pôles. De plus il faut que la planète dispose d'une atmosphère, afin qu'il y ait émission de lumière par choc électrique avec les constituants de cette atmosphère, la couleur dépend de la nature du gaz rencontré. Mais les effets ne sont pas les mêmes sur les autres planètes.
Par exemple, les aurores de Jupiter,  sont de couleur violette alors que sur Terre elles sont vertes ou rouges.
Les aurores sont prévisibles entre un et quatre jours avant, mais les prévisions restent moins précises que la météo atmosphérique.
Lorsqu'une éruption solaire a lieu, on mesure l'intensité de rayons X émis lors de cette éruption, on va en déduire une approximation de la vitesse du vent solaire (rayons X de gamme X : 1 jour, de gamme M : 2 jours, de gamme C entre 3 et 4 jours).
Plus l'éruption est puissante, plus le vent solaire risque d'être rapide. Il faudra bien-sûr que le vent solaire se déplace en direction de la Terre, pour provoquer des aurores. On mesurera aussi la densité, la vitesse et l'énergie du vent solaire grâce à un satellite (ACE) situé entre le soleil et la Terre.

 

Si le vent solaire est très puissant (gamme X), l'ovale auroral (centré sur le pôle magnétique) sera très large et il y aura alors des chances de voir le haut des aurores depuis les moyennes latitudes, en France par exemple (en 2003, une aurore a été vue depuis la Grèce). Il faudra aussi que le vent solaire soit très dense pour que la luminosité soit maximum. La Terre étant ronde, si nous sommes loin de l'ovale auroral nous ne verrons que le haut du "rideau". La couleur dépend de la composition de l'atmosphère. Lors du choc électrique avec un gaz, chaque élément émet sa propre couleur. L'oxygène atomique émet du vert entre 100 et 200 km d'altitude et du rouge entre 200 et 500 km. L'azote moléculaire émet plusieurs rouges et violets entre 60 et 100 km. Les deux conditions pour voir des aurores : être entouré d'un champ magnétique et avoir une atmosphère, donc pour toutes les planètes répondant à ces conditions, on peut y voir des aurores. Le télescope spatial Hubble et la sonde Cassini ont suivi le pôle sud de Saturne simultanément à mesure que Cassini approchait de la géante gazeuse en janvier 2004, Hubble a pris des images en lumière ultraviolette, tandis que Cassini a enregistré les émissions radio et suivit le vent solaire.
Comme sur Terre, les aurores de Saturne forment des anneaux totaux ou partiels autour du pôle magnétique. Cependant, contrairement à la Terre, les aurores de Saturne durent des jours, contre quelques minutes sur Terre, en moyenne.

 

Les aurores de Saturne, bien que certainement créées par des particules chargées entrant dans l'atmosphère, semblent être plus intimement modulées par le vent solaire que les aurores de Jupiter ou de la Terre.
aurores sur Saturne

Image : La séquence ci-dessus montre trois images de Saturne prises par Hubble à deux jours d'intervalle les unes des autres. Crédit: J. Clarke (Boston U.) & Z. Levay (STScI), ESA, NASA

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