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La belle aurore !

Document D.Fritts/PFRR.

Une emprise magnétique (I)

Si vous avez l'occasion de séjourner près du cercle Arctique, en Finlande, au Canada ou en Alaska pendant les phases de paroxysme de l'activité solaire, vous découvrirez l'un des spectacles les plus fabuleux de la nature : les aurores polaires.

A l’ouest du méridien, sur plusieurs dizaines de degrés, le ciel étoilé s’embrase, des lueurs vives, évanescentes et colorées se mettent à onduler dans le ciel, telles les draperies de dame Nature. Le spectacle enchanteur peut durer plusieurs dizaines de minutes et se répéter plusieurs jours de suite.

Mais qu'est-ce au juste une aurore ? Pourquoi apparaît-elle ? Comment se forme-t-elle ? Quels sortes de renseignements peut-elle nous apporter ? Nous allons répondre à toutes ces questions et bien d'autres dans les pages qui suivent. Je vous invite dans l'univers du magnétisme.

Passer la théorie et afficher de suite de merveilleuses images !

Remerciements

Permettez-moi tout d'abord de remercier les scientifiques qui ont collaboré à ce dossier. Cette étude n'aurait pu voir le jour sans la collaboration de plusieurs chercheurs qui vont nous aider à comprendre la complexité de ce phénomène et à interpréter les nombreux graphiques qui illustrent ces pages, pour citer :

- Dr Steve Petrinec, directeur du Space Physics Laboratory à Boulder (USA) 

- Dr Larry Combs, du Space Environment Center de la NOAA

- Dr Bernhard Fleck, scientifique responsable du Project SOHO à la NASA/GSFC

- Tamitha L. Mulligan, de l'Institut IGPP de l'Université de Californie à Los Angeles.

Rappel historique

Historiquement, les aurores ont déjà été recensées en -1100 dans les annales chinoises comme de simple lueurs dans le ciel. mais c'est Gassendi, en 1621, qui leur attribua le nom d'aurore. 

Faisons de suite un saut conceptuel, car pour comprendre la nature des aurores il faut se pencher sur le champ magnétique de la Terre. 

Pour expliquer l'orientation de l'aiguille du compas de navigation, au XVIeme siècle William Gilbert suggéra que la Terre agissait tel un aimant et que l'aiguille du compas s'alignait le long des lignes de force du champ magnétique terrestre qui lui donne cette inclinaison de 11°.6 vis-à-vis du pôle géographique. En fait on sait aujourd'hui que la Terre fait office de dipole magnétique comme nous le verrons un peu plus loin.

En 1702, aidé de son assistant Olof Hiorter, Anders Celsius découvrit qu'il existait une relation entre les aurores et la déclinaison d'une aiguille magnétisée, les raysons lumineux des aurores boréales suivant les lignes de force du champ géomagnétique. C'était la première fois qu'un travail scientifique mettait en évidence la nature magnétique des aurores, confirmant l'hypothèse de Halley.

Les aurores boréales du 6 mars 1716 telles qu'elles furent observées au-dessus d'une bonne partie de l'Europe. Document Acta Societatis Hafniensis, 1745.

Après la publication de l'Optique de Newton en 1704 dans lequel il développa, en autres choses, la découverte du spectre de la lumière, les aurores furent interprétées comme un phénomène optique lié à la réfraction de la lumière dans des vapeurs volatiles. Aussi il n'est pas étonnant qu'en 1744 le Suédois Lindqvist crut très sérieusement pouvoir simuler des aurores en faisant traverser un rayon de lumière à travers un verre d'Aquavit, de l'alcool de grains...

Plus sérieusement, après avoir observé les grandes aurores de 1716, le célèbre astronome anglais Edmund Halley réfuta la théorie des vapeurs volatiles issues de la Terre du fait que le phénomène couvrait un territoire bien trop étendu. Il postula l'existence d'un milieu qu'il baptisa "effluvium" qui émanait d'un gigantesque aimant situé au centre de la Terre et dont le flux suivait les lignes de force du champ magnétique terrestre à l'image de la limaille de fer autour d'un aimant. Cet "effluvium" serait lumineux ou pâle en fonction des force de friction qu'il subirait avec les autres substances. L'hypothèse de Halley expliquait l'une des caractéristiques des aurores, pourquoi elles apparaissaient principalement autour des pôles.

Ce document "scientifique" de Linqvist laissait à penser qu'avec de la lumière, un prisme et... un verre d'Aquavit on pouvait simuler des aurores. Document Proceedings of the Royal Swedish Academy of Sciences, 1744.

En 1733, dans son Traité physique et historique de l'aurore boréale, le Français Jean-Jacques d'Ortous de Mairan suggéra que les aurores formaient la lumière zodiacale, cette fine poussière cométaire visible le long de l'écliptique avant le lever ou après le coucher du Soleil. 

Même si cette première interprétation était erronée il pensait également qu'il existait une relation entre les taches solaires et les aurores et que l'atmosphère solaire pouvait s'étendre jusqu'à l'orbite de la Terre. Mais il faudra attendre plus d'un siècle pour que les physiciens confirment ses deux idées prémonitoires.

En 1746, Leonhard Euler confirma les idées de Mairan en pensant que les aurores étaient provoquées par des particules situées dans la haute atmosphère mais refusa de croire que l'atmosphère solaire s'étendait jusqu'à la Terre. Il pensa plutôt que ces particules avaient une origine terrestre et étaient portées à de hautes altitudes par la lumière du Soleil où elles réfléchissaient sa clarté.

Enfin, en 1852, Sir Edward Subine découvrit qu'il existait une relation entre la fréquence des perturbations magnétiques terrestres (géomagnétiques) et l'intensité des éruptions solaires.

Relation entre l'activité solaire et les aurores durant un siècle.

A la fin du XIXeme siècle alors que de nombreux physiciens se passionnaient pour les décharges d'électricité dans les gaz, inventant les électrodes de platine et les machines à induction, le physicien norvégien Kristian Birkeland simula des aurores dans une chambre vide en bombardant de rayons cathodiques une terre artificielle constituée de fer magnétisé. Il conclut que les aurores étaient un phénomène non terrestre.

Mais c'est seulement en 1896, après la Première Année Polaire Internationale que Birkeland proposa une théorie rationnelle liée à l'activité solaire, ainsi qu'en témoigne le document présenté ci-dessus qui met en évidence une relation entre le nombre de taches solaires et le nombre d'aurores durant un siècle d'observation.

Birkeland simulant des aurores avec sa terre artificielle "Terrella". Document NASA-GFSC.

Finalement vers 1940, le physicien suédois Hannes Alfvén repris l'expérience de Birkeland avec la "Terrella" et interpréta les aurores en terme de plasma, découverte qui lui valut le prix Nobel de physique... en 1970. Si tard car dans l'intervalle les astronomes mirent beaucoup de temps pour découvrir l'origine des phénomènes lumineux et radioélectriques qui les caractérisaient.

En analysant les relevés magnétométriques, les mesures indiquaient qu'au cours d'une journée l'intensité du champ géomagnétique pouvait augmenter d'un facteur 10 ou fluctuer très rapidement en l'espace de quelques minutes. Quelle source pouvait donc provoquer de telles perturbations ?

Les scientifiques réalisèrent bientôt qu'il devait exister dans l'espace de puissants champs magnétiques pour expliquer les perturbations géomagnétiques qu'ils mesuraient sur Terre. Ils découvrirent que cette activité se manifestait à des moments bien précis et touchait une grande partie du territoire et n'était en rien un épiphénomène local. Ils découvrirent également que cette activité était plus importante aux latitudes nord qu'aux latitudes moyennes, ce que confirmait l'étonnante expérience de la Terrella de Birkeland.

En 1958, l'astronome américain Eugène Parker démontra que les aurores étaient liées à la dynamique du champ magnétique et des particules libérées par le Soleil. 

Le Pr Eugène Parker en 1989. Doc U.Chicago.

Mais tous ses confrères, s'ils ne se moquaient pas de lui, estimaient qu'il ne s'agissait que d'une théorie parmi d'autres. Pour apporter une preuve irréfutable à l'appui de sa démonstration, Parker proposa à la toute jeune NASA d'envoyer à bord de la future sonde spatiale Mariner 2 qui devait être lancée vers Vénus en 1962, un magnétomètre et des instruments capables de mesurer l'intensité des particules émises par le Soleil.

C'est alors que les astronomes découvrirent que Parker avait raison. Les enregistrements réalisés par la sonde Mariner 2 mesurèrent un vent de particules intense qui soufflait continuellement du Soleil. Ce courant corpusculaire était tellement intense qu'il figeait en quelque sorte le champ magnétique solaire. Ce "vent solaire" se propageait dans l'espace à une vitesse supérieure à 250 km/s ! C'est à cette occasion que l'on découvrit qu'il existait une interaction électromagnétique entre le Soleil et la Terre, un phénomène très complexe que des dizaines de spécialistes étudient aujourd'hui à temps plein par satellites interposés (SOHO, Cluster, etc).

 Depuis, grâce à l'odyssée des sondes spatiales Pioneer et Voyager, les astronomes ont découvert que ce vent émanant du Soleil est tellement puissant qu'il s'étend au moins quatre fois plus loin que Pluton. Telle est la dimension du système solaire...

Restait à expliquer comment le Soleil interagissait avec la Terre pour former les aurores... Comment expliquer ce phénomène ? C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

L'activité du Soleil

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