Les aurores polaires, explications

Les aurores polaires sont des phénomènes lumineux qui sont d'une très grande beauté. Elles sont produites par la fluorescence des couches supérieures de l'atmosphère, plus particulièrement de l'ionosphère, et sont le fruit de collisions entre des particules de très haute énergie et les gaz de notre atmosphère. Avant d'aller plus loin dans notre étude de ce spectacle tout en lumière, présentons en tout d'abord les deux personnages principaux.

Aurores boréales dans le ciel de l'Alaska

Les personnages

M. Vent Solaire, fils de Soleil

Nous le savons tous, Soleil émet une très grande quantité de lumière. Ce que peu de gens savent par contre, c'est que l'astre solaire (la star de notre système!) est généreux de sa personne, relâchant aussi un peu de lui-même dans l'espace sous forme de particules. Ce flot de particules, essentiellement constitué de protons de haute énergie (donc très rapides, plus de 300 km/s!), donne naissance à Vent Solaire.

Vent Solaire n'est pas tranquille, il est en effet constamment perturbé par les sautes d'humeur de son père, qui ont lieu à tous les onze ans environ. Soleil devient alors orageux et connaît un surcroît d'activité. Lorsque Soleil est colérique, il produit des orages magnétiques qui provoquent à leur tour d'énormes éruptions solaires. Vent Solaire s'en trouve alors plus fort, ragaillardi par le surplus de particules que lui envoie son père.

Une éruption à la surface du Soleil
Gracieuseté de la NASA

Mme Magnétosphère Terrestre, une mère enveloppante

Magnétosphère Terrestre est l'enveloppe magnétique qui protège la Terre et ses habitants des attaques de Vent Solaire. Sa dynamique est très complexe (« Elle est femme! », diront certains) et est étudiée dans le cadre d'une science qu'on appelle la physique spatiale. (Quelle femme ne rêverait pas de faire l'objet de tant d'attention?)

Une grande part de la complexité de Magnétosphère Terrestre provient de son interaction avec Vent Solaire. En l'absence de Vent Solaire, le champ magnétique terrestre aurait à peu près la forme d'un dipôle magnétique, semblable à celui d'un aimant droit (voir Physique 534 : Les substances magnétiques). Cependant, à cause de la pression exercée par Vent Solaire, Magnétosphère est déformée. Elle est légèrement aplatie du côté de Soleil et est très étendue dans la direction opposée (sa magnétoqueue de cheval au vent!).

Schéma de la magnétosphère terrestre

La relation entre Magnétosphère Terrestre et Vent Solaire est intense. La première empêche le second de nous atteindre, alors que le second fait s'allonger la première. Maintenant que nous connaissons nos deux personnages, voyons comment ils interagissent pour donner lieu au spectacle.

Le prélude

Les particules de haute énergie qui produisent les aurores polaires proviennent en grande partie de Vent Solaire. Ces particules, particulièrement des protons, se retrouvent piégées dans la magnétoqueue, située du côté nuit de la Terre. Les particules ainsi piégées forment un plasma, un gaz d'atomes ionisés, qui s'étend au-delà de l'orbite lunaire, à plus de 360 000 km de la Terre. De temps à autre, des particules de la magnétoqueue sont relâchées lors d'événements appelés sous-orages magnétiques.

Les sous-orages magnétiques ont lieu lorsque la dynamique de Magnétosphère est brusquement modifiée et n'ont parfois rien à voir avec les sursauts de Soleil. Cependant, les périodes de grande colère de Soleil peuvent augmenter le nombre et l'intensité des sous-orages magnétiques. De plus, lorsque Soleil produit de très forts orages magnétiques, Magnétosphère est grandement perturbée par un Vent Solaire ragaillardi.

Vent Solaire et Magnétosphère ne sont pas les seules victimes du caractère explosif de Soleil. Les effets de sa colère se font ressentir jusque chez nous, sous diverses formes. Notons entre autres les dommages causés aux satellites de basse altitude par l'atmosphère qui se gonfle, les perturbations des communications radio et les surtensions des réseaux de transport d'électricité. Cela s'est d'ailleurs produit chez-nous, en 1989, alors que le Québec presque entier s'est retrouvé plongé dans le noir, sans électricité.

Le spectacle

Le spectacle abordé ici survient lorsque Vent Solaire contourne les défenses de Magnétosphère Terrestre pour s'engouffrer dans l'atmosphère. Lorsque se produit un sous-orage magnétique (provoqué ou non par la mauvaise humeur de Soleil) les particules libérées de la magnétoqueue suivent les lignes du champ magnétique terrestre (les cheveux de Magnétosphère) pour s'engouffrer dans l'atmosphère par les cornets polaires. Il est alors possible, si l'on est bien situé, d'observer de magnifiques lueurs dans le ciel.

Lorsqu'une collision survient entre une particule solaire et un atome de l'atmosphère, ce dernier devient excité. Ses électrons passent alors à des orbites plus éloignées du noyau atomique (donc plus énergétiques), et peuvent même se libérer totalement de son emprise (l'atome est alors ionisé). L'atome excité, en retournant à son état de départ, émettra de la lumière, dont la couleur dépendra de l'élément auquel il appartient.

 

Le processus de production de lumière dans l'atmosphère. a) Une particule solaire entre en collision avec un atome de l'atmosphère. b) L'atome, suite à cette collision, est excité. c) En se désexcitant, l'atome émet de la lumière.

Les aurores se présentent sous différentes formes telles que des voiles, des bandes, des rayons ou des arcs. On appelle aurores boréales les aurores se produisant au-dessus du pôle Nord, alors que les aurores australes se produisent au-dessus du pôle Sud.

 
Aurores polaires observées depuis l'espace
Gracieuseté de la NASA

Les coulisses

Les aurores ne sont pas des phénomènes exclusivement terrestres, elles se produisent aussi dans l'atmosphère d'autres planètes, notamment celle de Jupiter. Ces aurores extraterrestres nous livrent une grande quantité de renseignements sur la composition des atmosphères des planètes du système solaire.

Aurores dans l'atmosphère de Jupiter
Gracieuseté de la NASA

Même sur Terre, les aurores nous fournissent certains renseignements sur les couches supérieures de l'atmosphère, leur couleur et leur altitude nous informant sur les gaz atmosphériques qui sont excités :

• En dessous de 100 km d'altitude, l'azote est responsable des lumières aurorales de couleurs bleue et rouge.
• De 100 à 250 km environ, la couleur verte (souvent prédominante) est produite par l'excitation des atomes d'oxygène.
• Au-dessus de 250 km, la lumière rouge, issue elle aussi de l'excitation d'atomes d'oxygène, domine les émissions aurorales.

La critique

L'interaction de Magnétosphère Terrestre et de Vent Solaire donne lieu à un spectacle sublime. N'oublions pas la prestation sans égale de Soleil, qui, lors de ses crises, nous en fait parfois voir de toutes les couleurs. Bien que le spectacle soit essentiellement lumineux, il semblerait qu'il soit parfois possible d'entendre les murmures de l'atmosphère. Ouvrez donc les yeux, et prêtez l'oreille!

Pour en savoir plus...*

Le Soleil peut-il perturber un réseau électrique? (Hydro-Québec) :
http://www.hydroquebec.com/orage_magnetique/index.html
Introduction à la physique spatiale (Centre d'étude des environnements terrestre et planétaires) :
http://www.cetp.ipsl.fr/1gdpub/21phspa/21phspa.html
Nordlys (Nettfoto) :
http://www.nettfoto.no/portfolio/nordlys/nordlys.htm (en norvégien; de très belles photographies d'aurores boréales) 

 http://www.fsg.ulaval.ca/opus/physique534/complements/aurores.shtml