Les aurores polaires
De tous les phénomènes célestes qui se produisent, peu se comparent à un magnifique ciel qui de lumières du nord. Véritables rideaux de lumière qui dansent sur la voûte céleste, les aurores polaires sont sans aucun doute l’un des plus beaux spectacles de la nature. À l’opposé des nébuleuses, des galaxies et autres astres, elles sont crées au même moment où vous les regardez. Dans le présent article, je vous ferai un bref historique des aurores pour ensuite vous expliquer comment le ciel peut s’enflammer ainsi, de l’expulsion de particules solaire jusqu’à la rencontre de celles-ci avec les molécules de notre atmosphère.
Observées
depuis longtemps par les peuples nordiques, les aurores
boréales (au Nord) et australes (au Sud) n’ont pas été étudiées
par les Grecs de l'Antiquité. Seul Pythéas, le navigateur phocéen du 5ème
avant J-C, a pu en observer lors de son voyage en mer du Nord. Les
peuples anciens ont d’abord cru qu’il s’agissait de la colère des dieux
qui se déchaînaient et plus tard, on a émis l’hypothèse qu’elles étaient
causées par le reflet du soleil sur les glaciers. Il a fallu attendre le 18e
siècle pour que des premières explications scientifiques soient proposées
pour expliquer le phénomène. Dès lors, le lien entre le magnétisme terrestre
et les aurores était connu. Au cours du 19e siècle, de nombreuse
percée scientifique on permis de mieux comprendre comment le lien entre
l’activité solaire et la magnétosphère
pouvait entraîner la formation d’aurores. Entre autre, en 1957, le
premier satellite muni d’un compteur Geiger
permit à J. Van Hallen de confirmer le postulat qu’il avait fait 7 ans plus tôt,
soit l’existence des ceintures de radiation contenant le plasma piégé par le
champ magnétique terrestre. L'existence du vent solaire a été confirmée par
les premières sondes en route vers la Lune. Des sondes spatiales en orbite
autour de la Terre dans les années suivantes ont cartographié la magnétosphère
et ont mis en évidence son interaction avec le vent solaire.
Tout
commence avec le vent solaire. Le
premier à trouver une explication possible de son origine fut le physicien
américain Eugène Newman Parker en 1958. À la surface du soleil, on
retrouve un plasma, soit un gaz très chaud et ionisé. Une partie de ce plasma
possède assez d’énergie pour échapper à la gravitation et au champ magnétique
du Soleil et se retrouve propulsé dans l’espace à une vitesse variant entre
150 et 5000 km/s. Ce vent solaire est essentiellement composé
de protons, d’électrons et de noyaux d’hélium avec quelques traces
d’éléments plus lourds comme le carbone et l’oxygène. Il s’échappe
constamment et dans toutes les directions du soleil et se retrouve partout dans
le système solaire. D’une densité
moyenne d’environ 4 protons pas cm³ , il met entre 3 et 4 jours pour
atteindre
Une fois arrivée, il entre en contact avec la magnétosphère. La Terre
possède un champ magnétique intrinsèque qui est causé par le mouvement des
particules chargées dans son noyau fluide. Ce champ se compare
à celui d’un dipôle magnétique dont le centre serait celui de la
Terre. La
magnétosphère
est la région de l’espace ou le champ magnétique terrestre est confiné en
raison du vent solaire. Cette frontière, appelée magnétopause résulte de
l’interaction entre le champ magnétique et le vent solaire qui lui aussi possède
un champ magnétique puisqu’il s’agit de particules chargées en mouvement. La magnétosphère est donc aplatie du côté de la Terre qui
fait face au Soleil et est plus effilée, sous la fourme d’une queue de
l’autre.
Les particules solaires sont en grande partie déviées par la magnétosphère
et s’écoulent le long des lignes de champ pour se retrouver dans la queue du
champ. Elles sont alors prises au piège dans commencent un mouvement périodique
très complexe. Premièrement, comme ce sont des particules chargées dans un
champ magnétique, elles ont un mouvement circulaire uniforme. Aussi, comme
elles ont une certaine vitesse dont une composante est parallèle au champ,
elles sont entraînées dans un mouvement hélicoïdal. Finalement, les lignes
de champ convergent aux pôles et une force dirigée dans la direction opposée
réfléchie les particules à l’autre pôle et ce mouvement de va et vient
continue, ce qui se rapproche d’une « bouteille magnétique ». Les
points où les particules sont réfléchies, appelés points miroirs décident
du sort de celles-ci. Si le point miroir est situé à 500 km d’altitude, les
collisions des particules avec les composantes de l’atmosphère sont trop rares pour influencer leur mouvement. Cependant, si
l’altitude des poins miroirs diminue, la fréquence des collisions augmente de
façon spectaculaire et le mouvement de va et vient vers les pôles est arrêté.
Elles sont absorbées dans l’atmosphère et c’est alors que le ciel
s’enflamme.
La couleur des aurores est attribuable à l’excitation des composantes de
l’atmosphère, principalement l’azote et l’oxygène, par la collision avec
les particules du vent solaire. L’énergie de la collision fait monter les électrons
du gaz à un niveau supérieur et
lorsque celui-ci redescend, il émet
cette énergie sous forme de photons. L’oxygène
à haute altitude (~300km) est sous forme ionisée est émet une couleur rougeâtre
alors que sous sa forme moléculaire (~100 km) il émet une lumière jaune-verdâtre.
L’azote, quant à lui, émet une lumière rouge pâle sous sa forme moléculaire
et une lumière bleu ou violette sous sa forme ionisée. Bien sûr, pour que
cette lumière soit détectée par notre œil, entre autre, un ciel bien noir,
mais surtout il faut que des millions de ces collisions aient lieu au même
moment. C’est pourquoi les aurores boréales ont lieu le plus souvent lors
l’activité solaire est plus grande parce qu’ainsi, une plus grande quantité
de particules frappent l’atmosphère.
Une grande activité solaire aussi
pour effet de modifier la forme de la magnétosphère. Lors de grosses éruptions
solaires, une énorme quantité de particules chargées peuvent frapper la magnétosphère
en même temps l’affaiblissant ainsi et facilitant l’entrée des particules
dans l’atmosphère, ce qui peut affecter considérablement sur la vie sur
Terre. Par exemple, le 13 mars 1989, une de ces tempêtes géomagnétiques a
provoqué l’explosion de transformateur d’une ligne principale d’Hydro-Québec
plongeant ainsi le Québec entier dans le noir pendant plus de 9 heures. Le tout
a aussi donné lieu à de spectaculaires aurores partout dans le monde. Plus récemment,
une des plus grosses éruptions solaires jamais enregistrée
a déclenché de magnifiques aurores à la fin octobre 2003 à des
latitudes où on n'avait jamais vu de tel spectacle, mais au aussi fais griller
les circuits de deux satellites japonais en plus de perturber les communications
sans fils partout dans le monde. Celles-ci utilisent l'ionosphère comme surface
réfléchissante pour transmettre les ondes et l’arrivée de vents solaires
perturbe grandement cette couche atmosphérique.
Image prise le 30 octobre 2003 à Sherbrooke
©Rémi Boucher
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Les aurores ont une épaisseur allant de quelques centaines de mètres à 1
kilomètre, mais peuvent s’étendre sur plusieurs centaines de kilomètres de
longueur. Les aurores prennent différentes formes : arcs, bandes, rideaux,
couronnes, spirales. Les arcs et les bandes sont considérés comme des
manifestations calmes d’aurores alors que les rideaux, les couronnes et les
spirales sont des manifestations de grande activité. Elles peuvent, en de rares
occasions, donner de beaux spectacles dans nos régions mais sont le plus
souvent visibles à des latitudes supérieurs à 60°. En Alaska, par exemple,
on peut compter jusqu’à 200 nuits enflammées par année. Avec la technologie
d’aujourd’hui, on est en mesure de prévoir quand les aurores sont
susceptibles de se produire. Grâce à l’observation et l’analyse constante
du Soleil ainsi que de la magnétosphère, on sait quelques jours à l’avance
quand elles se manifesteront. De telles données se trouvent facilement sur
Internet sur des sites comme celui réalisé par la NASA : www.spaceweather.com
ou encore du centre canadien de météo spatiale www.spaceweather.gc.ca/
.
En terminant, les aurores polaires sont des phénomènes d’une grande
complexité et assez rares, ce qui nous permet de mieux les apprécier
lorsqu’on a la chance d’en voir. Le plus important à retenir est qu’elles
sont causées par une interaction entre vent solaire et notre atmosphère. La
chasse aux aurores peut devenir une vraie passion d’autant plus qu’elles
sont faciles à immortaliser sur une photo.
Sciences
de la Nature
Groupe
du vendredi P.M
Essais
scientifique présenté à
M.
Michel FOURNIER
Projet
de fin d’études
Département
de Physique
Collège
de Sherbrooke
11 Mai 2004
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