LES AURORES POLAIRES

Synonymes : aurores boréales (hémisphère Nord) ou aurores australes (hémisphère Sud).

FAITS IMPORTANTS ET QUESTIONS FREQUEMENT POSEES

Définition des aurores polaires

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).

La région ou 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.

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. Dnas l'hémisphère Sud, on peut en observer a l'extréme sud du continent Américain, et sur le continent Antartique.

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.

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.

Distinction entre les aurores polaires diffuses et les aurores polaires discrètes

Les aurores polaires diffuses sont des aurores peu intenses, assez étendues, et observables presque à tout moment dans l'oval auroral. 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.

Les aurores discrètes sont des aurores beaucoup plus brillantes, plus localisées, ayant ces formes caractéristiques des rideaux. Les aurores discrètes ne sont pas tout le temps observables, m\eme dans l'ovale auroral. Les aurores que l'on voit sur les photographies sont en général des aurores discrètes.

Nature des particules précipitées dans les aurores polaires

Les particules précipitées dans les aurores polaires sont principalement des électrons. A 1000-2000 km d'altitude, ces électrons précipités vers la Terre ont une énergie de l'ordre de quelques kilo électron Volts (keV) au dessus des aurores discrètes. Au dessus des aurores diffuses, lénergie des électrons est de l'ordre de 100 eV à un keV.

Qu'est ce qui rend les aurores polaires brillantes ?

Des particules d'énergie élevée arrivent sur Terre. Jusqu'\'a ce qu'elles atteignent 2000km d'altitude, elles ne rencontrent quasiment aucune autre particule, et leur trajectoire est déterminée par des effets collectifs du plasma (champs magnétiques et électriques), mais pas par des collisions avec d'autres particules. Il ne se produit pas de phénomène lumineux à ces altitudes (mais il peut y avoir des emissions d'ondes radio).

Lorsqu'elles atteignent quelques centaines de kilomètre d'altitude, elles rencontrent les hautes couches de l'ionosphère terrestre, nettement plus denses et plus froides. Les conditions sont alors propices aux collisions. Il y a des collisions coulombiennes (comme celles que l'on étudie en mécanique du point) entre deux particules chargées. Ces collisions modifient les trajectoires des particules mais n'engendrent pas de phénomène lumineux.

Il y a aussi des collisions plus directes avec des atomes, ou des atomes ionisés (mais gardant quand même un ou des électrons). Ces collisions vont modifier le niveau d'énergie de l'atome/ion cible. Si la collisions est violente, la particule précipitée va arracher un électron à la cible. C'est une réaction d'ionisation. C'est un des processus qui conduit à l'existence du plasma ionosphérique (néanmoins, l'ionisation par des photons UV provenant du Soleil est un processus plus important pour la production du plasma ionosphérique). Si la collision est moins violente, la cible va atteindre un niveau d'énergie plus grand. En revenant à son état initial, l'atome va émetre un photon. C'est ainsi qu'est produite la lumière des aurores.

Une idée fausse mais répandue sur l'origine des particules précipitées

C'est bien le vent solaire qui sert de moteur pour les aurores polaires, mais le vent solaire ne pénètre pas aussi directement dans l'environnement de la Terre que ce dessin le montre.

De nombreux ouvrages un peu anciens disent ou sous entendent que les particules précipitées dans les aurores proviennent directement du vent solaire, après qu'il ait pénétré dans l'environnement de la Terre par les cornets polaires. C'est faux, la réalité est plus complexe. Néanmoins, l'idée est assez répandue, y compris chez des gens cultivés. Voici quelques arguments qui montrent que ce modèle ne correspond pas à la réalité.

(1) Les cornets polaires sont situés non pas au dessus des pôles, mais du coté jour. Les particules précipitées dans le cornet polaire devraient donc former de préférence des aurores du coté jour. Or c'est l'inverse qui se produit.

(2) Le champ magnétique dans les cornets polaires est plus fort que dans les autres régions de la magnétosphère, il s'oppose donc à la rentrée des particules chargées et à leur précipitation vers la Terre. (c'est l'effet diamagnétique).

(3) L'énergie des particules du vent solaire est de l'ordre de 100 eV, alors que les particules précipitées on une énergie dix ou vingt fois supérieure. Les particules précipitées ont donc été accélérées dans l'environnement de la Terre (dans la magnétosphère), elles ne viennent pas directement du vent solaire.

En fait, la magnétosphère est entourée d'une frontière, la magnétopause. Cette frontière est assez fine : environ 1000 km d'épaisseur, ce qui est peu à l'échelle de la magnétosphère. La magnétopause est, en première approximation, étanche aux particules venant du vent solaire. Par contre, au voisinage des cornets polaires, cette frontière est beaucoup moins nette. Des particules peuvent pénétrer dans la magnétosphère par les cornets polaires. Mais à une certaine profondeur, les particules sont repoussées par le champ magnétique de la Terre. Les particules sont alors envoyées dans une région de la queue comprise entre les lobes et la magnétopause : le manteau. Ces particules ne contribuent donc pas directement à la formation des aurores. En fait, certaines particules issues du manteau reviendrons vers la Terre, et il se peux qu'elles soient précipitées vers la Terre et engendrent des aurores, mais cela est le fruit d'un processus assez long et bien plus complexe que le modèle critiqué ici le laisse entendre.

Les particules du vent solaire qui rencontrent les cornets polaires n'atteignent pas directement les calottes polaires. Elles sont renvoyées vers le manteau magnétosphérique.

Comment sont déclenchées les aurores diffuses

Les particules précipitées dans les aurores, qu'elles soient diffuses ou discrètes, proviennent essentiellement de la queue de la magnétosphère.

Comment sont déclenchées les aurores discrètes

auteur : Fabrice Mottez. version HTML: septembre 1999.

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