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.

 

 

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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 notre planète.

 

 

                 Éruption solaire en Hα 

                ©SOHO (ESA & NASA)

 

 

 

 

 

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 Zone de Texte:  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.

 

 

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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

 

 

   

 

 

 

 

 

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.


 

Guillaume POULIN

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