Les aurores Boréales

Les aurores Polaires
COMMENT SE FORMENT LES AURORES POLAIRES ?
Plan :
Bouclier magnétique terrestre et vents solaires
Liens : http://cyberzoide.developpez.com/pourquoi/index.php3?page=aurore
Pourquoi y a-t-il des aurores polaires ?
27/10/2001
Les aurores sont le fruits de la rencontre de particules solaires avec l'atmosphère
terrestre.
La Terre est entourée d'un gigantesque bouclier magnétique qui résulte de la
production par le noyau ferreux du centre de la Terre d'un champ magnétique. Le
noyau se comporte comme un aimant dont le pôle nord magnétique coïncide avec le
pôle nord géographique (par symétrie, il va de même pour les pôles suds magnétique
et géographique).
La couronne solaire éjecte continuellement un nombre gigantesque de particules
électriques (électrons, protons...) qui courent à travers l'espace, transportés par des
courants solaires. Ces vents solaires constitués de particules mortelles pour les
organismes vivant sont déviés par le champs magnétique terrestre qui protège ainsi
notre Terre. Le bouclier magnétique forme une magnétosphère qui représente
l'espace compris entre le sol terrestre et la surface extérieur de ce bouclier. Les lignes
de champs magnétiques ont pour origines les pôles magnétiques. Ainsi la
magnétosphère est beaucoup plus fine au pôles qu'à l'équateur.
Bouclier magnétique terrestre et vents solaires
Toute particule électriquement chargée est sensible aux champs magnétiques qui sont
capables de dévier leurs courses. C'est le même phénomène qui a lieu dans un
téléviseur : une résistance est chauffée de manière à lui arracher des électrons qui
sont propulsés dans un canon sous vide. Leur trajectoire est commandée par deux
paires de plaques horizontales et verticales chacunes parallèles deux à deux de façon
à orienter correctement les électrons vers l'écran. L'écran est balayée de haut en bas,
de gauche à droite par le canon à électrons. Chaque point de l'écran est composé de
trois luminophores chacun portant une couleur différente : rouge, vert ou bleu qui sont
les trois couleurs primaires lumineuse. C'est la synthèse additive de ces trois couleurs
qui donnera la couleur global du point. Une couleur sera dominante si le luminophore
associé est plus souvent percuté par les électrons que les autres.
Il arrive quelques fois que des particules solaires soient capturées par la surface
extérieure du bouclier et accélérées jusqu'à rentrer dans l'atmosphère terrestre au
niveau des pôles à près de 500 km/s, là où le bouclier est le moins épais. Lorsque ces
particules entrent en collision avec les molécules de l'atmosphère (oxygène, azote...),
il se produit un phénomène physique très particulier : c'est l'ionisation atomique. En
effet, la particule solaire communique de l'énergie aux électrons de la molécule
atmosphérique qui devient alors excitée. Cet état d'excitation est très éphémère et ne
dure que quelques millionièmes de secondes avant que la molécule excitée ne
retrouve un état normal en réémettant l'énergie acquise sous la forme d'un photon qui
est une particule de lumière. La couleur de cette lumière, c'est-à-dire la longueur
d'onde du photon dépend de l'atome. Par exemple, on peut observer une couleur vertphosphorescent lorsque ce sont des molécules d'oxygènes qui sont excitées.
Si la Terre n'était pas équipée de ce bouclier anti-particules, toute forme de vie ne
pourais pas résister aux radiations solaires. Les particules chargée ionisent les
atomes ce qui a pour effet d'altérer la molécule d'ADN indispensable à la vie. Lors
d'une trop forte exposition au soleil, certains adeptes de la bonzette développent des
mélanomes qui sont des cancers de la peau. Un cancer résulte de la multiplication de
cellules malades. Ces cellules ayant muté à cause des rayons nocifs du soleil
absorbés en trop forte quantité. Il est donc indispendable de se protéger la peau et les
yeux du soleil autant à la plage qu'en montage.
Les aurores polaires peuvent aussi être appelée boréales au pôle Nord ou australes
au pôle Sud. Leur forme est variable (draperie, arcs...) et est de toute façon
fragmentaire : seuls les satellites artificiels peuvent les oberver en totalité depuis leur
orbite. Quant à leur couleur elle varie en fonction de l'altitude puisque la proportion
des différentes molécules succeptibles d'être excitées varie de part leur masses
différentes.
LES AURORES BOREALES ET
AUSTRALES
LES AURORES POLAIRES
(photo Vincent Génot)
Qu'est ce qu'une aurore polaire ?
Les aurores polaires sont des phénomènes lumineux se produisant entre 80 et
400km d'altitude causés par la précipitation de particules chargées en provenance de
l'espace sur les couches externes de l'atmosphère terrestre. Elles sont facilement
observables la nuit, mais il en existe qui se produisent le jour (leur présence ne peut
être mise en évidence qu'au moyen d'experimentations sophistiquées)
Qu'est ce qu'une aurore boréale ?
Une aurore boréale est une aurore polaire se produisant dans l'hémisphère nord. On
a appellé ainsi les aurores polaires jusqu'à l'exploration de l'hémisphère Sud de la
Terre. Les voyageurs ont vu alors, depuis les "mers du sud", des aurores totalement
semblables aux aurores boréales. Mais boréale veut dire "du nord"... On les appella
donc des "aurores australes" ("du sud"), et on désigna sous le terme plus général
"d'aurores polaires" l'ensemble du phénomène, qu'il soit observé dans l'hémisphère
nord ou sud.
Les aurores polaires diffuses
Ce sont des aurores dont l'éclat est faible, elles sont assez etendues et présentent
peu de contrastes. A l'oeil nu, on ne remarque pas toujours leur présence, ou bien on
les confond aisément avec des phénomènes de diffusion dus à la présence de fins
nuages ou d'humidité. Elles sont pourtant quasiment tout le temps présentes la nuit
dans les régions aurorales. Elles sont dues à des précipitation de particules peu
abondantes, d'énergie typiquement de l'ordre de 100 electron Volts.
Les aurores polaires discrètes
Les aurores discrètes, en dépit de leur nom, sont beaucoup plus spectaculaires. Ce
sont les aurores que l'on voit sur les photos. Elles ont des dimensions de l'ordre de
quelques kilomètres suivant l'axe nord-sud, et peuvent s'étendre sur des centaines
de kilomètre dans la direction est-ouest. Elles sont beaucoup plus brillantes que les
aurores diffuses, mais elles n'apparaissent pas tout le temps. Elles sont dues à des
précipitation d'électrons dont l'énergie est dix fois plus forte que dans le cas des
aurores diffuses.
Les aurores sont-elles plus brillantes du coté jour, ou nuit ?
Les aurores sont des phénomènes lumineux de faible amplitude qui sont invisibles
en plein jour. Néanmoins, des aurores peuvent se produire pendant la journée. A
défaut de les voir, on les détecte en mesurant les flux de particules précipitées, à
bord des satellites qui passent au dessus des régions aurorales.
Les aurores qui se produisent du coté jour sont moins intenses et plus rares que les aurores qui se
produisent du coté nuit. Les aurores les plus intenses se développent généralement à des heures
locales proches de 23 heures-1 heure.
Localisation
On observe les aurores principalement dans une zone correspondant à une latitude
magnétique de 70 degrés (le pôle magnétique est situé au Sud du Groenland). Cette
région ou il est courant d'observer des aurores inclus le nord de la Scandinavie, de la
Sibérie, le Canada, l'Alaska. Dans l'hémisphère Sud, on peut en observer a l'extréme
sud du continent Américain, et sur le continent Antartique.
La région où l'on observe à un instant donné des aurores a une forme ovale. Cet ovale est un peu
irrégulier, il est plus large (en latitude) du coté nuit que du coté jour, et y descend vers de plus basses
latitudes.
Il arrive, assez rarement, que l'on observe des aurores à des latitudes basses. Il est possible d'en voir
en France/Belgique/Suisse, mais pas tous les ans, et cela n'est pas prévisible (à l'heure actuelle). Des
aurores ont été observées à Rome, au Mexique etc.
Pourquoi les aurores brillent-elles ?
De quoi sont faites les aurores, comment est émise leur lumière ?
L'origine des aurores
Pour faire des aurores, il faut des particules très rapides. D'où viennent ces
particules, comment sont-elles accélérées ? Les aurores discrètes sont la partie
visible de phénomènes de grande envergure qui concernent l'ensemble d'une vaste
région qui entoure la Terre : la magnétosphère. Ces reconfiguration, assez brutales,
sont les sous-orages. Cette rubrique vous en apprendra plus sur les sous-orages et
leur lien avec les aurores polaires.
Quelques idées fausses que vous avez peut-être
que vous avez peut être déjà lues ou entendues sur les aurores et leurs origines ; il
convient à l'honnête Homme de les corriger.
Quelques photographies d'aurores polaires
(fichier, 737 k) Photographies prises depuis la surface de la Terre, depuis la navette
spatiale, ou depuis des sondes spatiales plus éloignées. Egalement quelques photos
d'aurores vues sur d'autres planètes.
auteur : Fabrice Mottez. version HTML: Juin 2000, dernière révision Octobre 2004.
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Les aurores polaires, un spectacle lumière et
lumière
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 sousorages 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!