L’origine des aurores boréales – 2ème partie

aurores boréales

Dans la deuxième partie de la série sur les aurores boréales, nous nous penchons plus en détail sur le processus de formation proprement dit de ce phénomène naturel.

L’origine des aurores boréales – 2ème partie

Le principe d’illumination

Des atomes, des molécules ou des ions peuvent être excités par des collisions avec des électrons. Grâce à l’énergie de la collision, un électron peut être déposé sur une orbite plus extérieure. Comme ce surplus d’énergie n’est que de courte durée, l’électron rebondit sur son orbite initiale. L’énergie que l’électron a reçue lors de la collision est libérée sous forme de lumière lors du saut en arrière. C’est ce qu’on appelle un quantum de lumière. La quantité d’énergie de collision nécessaire varie en fonction de la couleur émise. Par exemple, l’émission de lumière rouge nécessite moins d’énergie que celle de lumière bleue. Dans le cas des aurores polaires, ce sont les gaz de notre atmosphère qui sont responsables de la coloration.

L’atome d’oxygène, dont la longueur d’onde est de 557,7 nm, est le principal responsable de l’émission de la lumière verte ou rouge caractéristique de 630,0 et 634,4 nm. L’azote, en revanche, émet une lumière bleue ou violette qui se présente sous la forme de bandes spectrales (voir fig. 5).

Les atomes H émettent également de la lumière rouge dans la zone de l’oxygène et de l’azote. En plus des raies spectrales de la lumière visible, les aurores polaires présentent même des raies dans l’infrarouge, l’ultraviolet et même dans les rayons X.

Spectre d’une aurore polaire dans le domaine visible.

Mouvement de particules chargées électriquement le long d’un champ magnétique

Parmi les particules chargées électriquement, on compte les électrons, les protons et les électrons. Ceux-ci ne peuvent pas se déplacer à volonté dans un champ magnétique, mais sont contraints de se déplacer toujours en forme de spirale le long des lignes du champ. Cette trajectoire circulaire est également appelée « rayon de giration ». Celui-ci est indirectement proportionnel à l’intensité du champ magnétique. Ainsi, les cercles sont petits dans un champ fort et grands dans un champ faible. Cet effet joue un rôle important dans l’ensemble de l’univers, étant donné qu’il n’y a presque que des particules chargées et qu’un champ magnétique faible est généralement présent. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Mouvement d’une particule chargée électriquement le long d’une ligne de champ magnétique.

Origine des aurores boréales

Dans ce chapitre, nous allons maintenant expliquer le processus concret de formation des aurores boréales. En outre, les différentes formes d’expression seront examinées plus en détail.

L’ovale des aurores polaires

Il s’agit probablement de la zone la plus importante de notre champ magnétique, car c’est la seule où les aurores polaires peuvent se produire. Il s’agit d’une zone annulaire entourant les pôles magnétiques (aussi bien le pôle nord que le pôle sud), dont le diamètre est généralement d’environ 3000 à 4000 km.

L’image prise par le satellite POLAR de la NASA montre l’apparition simultanée d’aurores boréales sur l’ovale des deux pôles.

L’anneau est un peu plus mince du côté du soleil et est toujours tourné vers celui-ci. La Terre tourne donc en dessous au cours de la journée, comme on peut le voir sur la figure 8. Cette déformation est causée par le vent solaire conventionnel auquel notre champ magnétique est constamment soumis. Cet ovale peut être comprimé et déformé par les tempêtes solaires mentionnées précédemment. Pour cette raison, des observations d’aurores boréales peuvent être possibles jusque dans la région méditerranéenne. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

L’ovale de la lumière polaire à différents points de la journée.  L’orientation par rapport au soleil reste la même. 

Processus de formation des aurores boréales

Comme nous l’avons vu au chapitre 1.1, notre champ magnétique forme un dipôle protecteur autour de la Terre. L’impact du vent solaire sur notre magnétosphère provoque une forte déformation de celle-ci. Alors qu’il provoque une forte compression du côté du soleil, une longue queue se forme du côté de la nuit. Comme mentionné au point 1.4, les particules qui arrivent ne peuvent pas simplement traverser le champ magnétique, mais sont obligées de se déplacer le long des lignes de champ. Elles contournent donc l’ensemble du champ. Ce n’est qu’au niveau de la queue que les particules peuvent pénétrer à l’intérieur du champ magnétique grâce à des processus complexes. Cela n’est possible que par ce que l’on appelle une « fusion des lignes de champ », au cours de laquelle les lignes de champ magnétique terrestres sont orientées dans la direction opposée aux lignes de champ magnétique interplanétaire.

Les particules qui ont pénétré s’accumulent alors sous la forme d’un réservoir en tant que couche de plasma à l’intérieur de la magnétosphère. Il y règne des courants électriques provoqués par le vent solaire et le champ magnétique. Ceux-ci accélèrent alors les électrons qui se dirigent vers la Terre le long de trajectoires en spirale (« électrons chauds »). Seules les lignes de champ des pôles s’étendent suffisamment près de la couche de plasma pour absorber les particules (ovale polaire). Celles-ci rencontrent finalement les particules de gaz de l’atmosphère terrestre et les incitent à briller, ce qui résulte en une aurore polaire.

Ce ne sont donc pas les « électrons froids » du vent solaire qui provoquent les aurores boréales. C’est plutôt la force du vent qui contrôle l’effet dynamo qui accélère les particules dans la couche de plasma. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Les électrons froids circulent autour du champ magnétique de la Terre. Ce n’est qu’au niveau de la queue qu’ils pénètrent, sont accélérés et se déplacent à l’intérieur de la couche de plasma, sur des trajectoires en spirale, en direction de la Terre. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

La lumière polaire protonique

L’aurore polaire protonique est une forme particulière d’aurore polaire. Lors de certaines éruptions solaires, des protons particulièrement riches en énergie peuvent être éjectés de la couronne solaire. Ceux-ci se déplacent le long du champ magnétique terrestre en direction des pôles, sans faire le détour par la queue de la magnétosphère. Ici, à haute altitude déjà, c’est principalement l’hydrogène qui est excité pour briller. Toutefois, cela est généralement très faible et sans structure. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Formes et couleurs

Comme nous l’avons déjà mentionné, les aurores polaires peuvent donner lieu non seulement à des variations de couleurs très variées, mais aussi à des formes différentes. La forme la plus simple est l’arc. Elle s’étend généralement sur plusieurs centaines de kilomètres d’ouest en est, son sommet est orienté vers le nord et elle peut rester immobile dans le ciel pendant plusieurs heures. Si les perturbations géomagnétiques augmentent, l’arc se déforme généralement en spirale. Un rideau se forme lorsque plusieurs arcs se fondent les uns dans les autres. Des rayons lumineux y sont généralement intégrés. Ceux-ci reproduisent en quelque sorte les lignes de champ. Si l’on se trouve directement sous ce rideau, ce phénomène s’appelle la couronne. Ici, par un effet de perspective, les rayons semblent converger vers un point du ciel.

Dans le cas de la couronne, les rayons semblent provenir d’un seul point.

Les couleurs des aurores boréales sont très variées et dépendent fortement de l’altitude. Ainsi, les lumières rouges apparaissent principalement au-dessus de 200 km, les vertes en dessous. Ce phénomène résulte de la répartition des gaz dans notre atmosphère et de l’énergie des particules incidentes. Si les électrons ont une énergie élevée, il leur est possible de pénétrer plus profondément dans l’atmosphère et d’exciter la lumière verte. Si l’énergie est plus faible, les électrons n’atteignent que des couches plus élevées, dans lesquelles est émise l’aurore boréale rouge.

J’espère que cette série vous a plu et que vous avez pu à nouveau apprendre quelque chose de passionnant sur notre ciel.

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