Les aurores boréales

La nature des aurores boréales -ce fait qu'elles sont de nature électromagnétique et répondent à l'activité solaire- n'a été compris que depuis 150 ans. La lumière visible de l'aurore est la dernière étape d'une suite de processus qui connectent le vent solaire à l'atmosphère terrestre. Après un voyage en direction de la Terre qui peut durer 3 jours, les particules énergétiques et les champs magnétiques du Soleil font que des particules déjà piégées près de la Terre sont relâchées lesquelles, à leur tour, déclenchent des réactions dans la haute atmosphère au cours desquelles les molécules d'oxygène et d'azote émettent des photons. De l'oxyde nitrique est créé pendant une aurore. Les aurores, aussi, échauffent les gaz de la haute atmosphère. Les aurores sur Terre sont liées à des éjections coronales de masse. La collision entre les particules solaires et la pression de la magnétosphère accélère les particules qui se trouvent dans l'espace autour de la Terre (comme, par exemple, dans les ceintures de Van Allen) celles-ci vont s'écraser dans la haute atmosphère terrestre à une altitude de 100 à 400 km (60 à 250 miles) où elles ionisent les molécules d'oxygène et d'azote et libèrent des photons. Les aurores boréales -on verra que le phénomène se retrouve aussi aux latitudes sud; on parle alors d'aurores australes- sont dues aux "tempêtes solaires". Une tempête solaire ou "tempête géomagnétique" est un évènement de la "météorologie" spatiale qui a lieu lorsqu'une éjection coronale de masse venant du Soleil vient compresser puis relâcher les champs magnétiques de la Terre. Lorsque le vent solaire passe du côté dans le Soleil de la Terre au côté dans la nuit, la queue de la magnétosphère s'étire sous cette force et elle oblige des champs magnétiques de polarité opposée et proches l'un de l'autre à se joindre -un processus qu'on appelle une reconnexion magnétique. Comme un élastique étiré qui se casse brutalement, les lignes des champs magnétiques, alors, reviennent brutalement en direction de la Terre emportant avec eux des particules chargées, lesquelles viennent heurter la haute atmosphère, la faisant émettre une lueur qui est l'aurore. L'aurore se produit, habituellement, sous une forme d'ovale, dure des heures et elle semble surtout verte, bleue et rouge. Les particules énergétiques venues de la magnétosphère viennent s'abîmer sur la ionosphère qui se trouve en-dessous laquelle fait passer les particules dans les couches encore plus basses. Ces champs magnétiques en mouvement forment un environnement instable qui fait se déplacer des particules ionisées et qui déclenche des courants électriques. Une tempête géomagnétique prend 24 heures pour passer à la Terre et elle libère des particules chargées qui sont déjà piégèes près de notre planète ce qui déclenche, alors, des réactions dans la haute atmosphère: les molécules d'oxygène et d'azote perdent des photon lumineux, ce qui déclenche une aurore. Le vent solaire, avec ses particules chargées électriquement -les ions- réussit à traverser le champ magnétique terrestre; le champ magnétique l'accélère et l'envoie en direction des pôles. Il y accélère, là, des particules piégées, électriquement chargées (des électrons, des protons). Les particules solaires et les particules accélérées viennent frapper les atomes neutres des couches hautes de l'atmosphère terrestre, faisant que celles-ci se mettent à faiblement s'illuminer. Différents évènements solaires peuvent déclencher des aurores boréales, ainsi des éjections coronales de masse ou des trous coronaux; les "éjections coronales de masse" sont des évènements énergétiques solaires qui propulsent de grandes quantités de matière solaire dans le vent solaire; les "trous coronaux" sont des endroits de la surface solaire où un champ magnétique plus faible permet à de la matière solaire de "glisser", là aussi, dans le vent solaire, mais de façon plus douce. Deux sortes d'ondes concernent l'aurore: les ondes Alfvén (de Hannes Alfvén, Suédois, prix Nobel qui avait théorisé leur existence en 1942) accélèrent les électrons (elles ont une longueur d'onde qui varie de dizaines à des centaines de kilomètres et elles se déplacent le long des lignes magnétiques de la magnétosphère); les ondes Langmuir, elles, sont générées par les électrons mêmes et qui ralentissent ceux-ci en captant une partie de leur énergie. Une façon plus technique -quoique habituelle- d'expliquer les aurores boréales est de dire que le champ magnétique solaire -ou "interplanétaire"- et le champ magnétique terrestre (la "magnétosphère") s'annulent l'un l'autre: les lignes magnétiques de la magnétosphère terrestre se retrouvent directement liées aux lignes magnétiques du vent solaire. Et, c'est le long de ces lignes magnétiques que les particules solaires atteignent la haute atmosphère de la Terre! Il y a connexion des lignes magnétiques terrestres et solaires quand le champ magnétique terrestre et le champ magnétique solaire ont des polarités opposées. La polarité de la magnétosphère terrestre est toujours "Nord" -positive; la polarité du champ magnétique solaire peut être "Nord" (positive) ou "Sud" (négative). Par ailleurs, des "paquets" emmêlés de vent solaire et de particules ont des polarités variées. La polarité, près de la Terre, du champ magnétique interplanétaire est désignée par "Bz". Les épisodes majeurs d'aurores boréales ont lieu lorsque des restes d'un évènements solaire particulièrement important réussissent à atteindre la Terre. Une aurore permanente, faible et diffuse est toujours présente près des pôles mais ne se voit pas toujours à l'oeil nu. L'aurore dite "continue" est l'aurore faible continuellement produite par le vent solaire, l'aurore "diffuse" est une luminosité relativement sans relief et les aurores "séparées" (en anglais "discrete auroras") sont les aurores les plus intenses, avec un aspect "enroulé" et une luminosité suffisante pour lire un journal. Les aurores plus brillantes que l'aurore diffuse nécessitent donc un apport d'énergie. La conversion de l'énergie magnétique en énergie particulaire, laquelle forme les aurores boréales (et australes) a été comprise encore plus avant et cette explication permet de mieux comprendre comment les aurores changent de forme et de luminosité. Les "sous-tempêtres" (en anglais "substorm") sont un phénomène dynamique qui se produit, la nuit, dans la haute atmosphère et elles sont causées par la reconfiguration globale de la magnétosphère laquelle relâche l'énergie stockée du vent solaire. Ces tempêtes se caractérisent par une augmentation de la luminosité aurorale du crépuscule à minuit suivie de mouvements violents d'arcs auroraux distincts qui se brisent soudain et engendrent alors, à l'aube, des morceaux d'aurores pulsantes diffus. Les aurores pulsantes sont beaucoup plus faibles et moins communes. Pour ce qui est des aurores habituelles, les particules solaires, une fois dans la magnétosphère, sont stockées, ainsi que l'énergie qu'elles portent dans le côté dans la nuit de cette dernière jusqu'à ce qu'une sous-tempête relâche l'énergie, les électrons étant envoyés dans la haute atmosphère terrestre. Les aurores pulsantes sont dues aux chorus waves de type whistler qui perturbent certains des électrons. Pendant une "sous-tempête" (en anglais "substorm") solaire -ces petites perturbations solaires intermittentes qui ont lieu plusieurs fois par jour près de la Terre- lorsque le matériau solaire impacte la magnétosphère, le côté au jour de celle-ci se contracte alors que le côté dans la nuit -la magnétotail- s'étend; lorque cette dernière revient finalement en position, elle commence à vibrer. Dans cet environnement instable, les électrons qui se trouvent à proximité de la Terre s'engouffrent rapidement par les lignes du champ magnétique; l'aurore elle-même, alors, entre dans une harmonie (cycle de 6 minutes) avec la vibration des lignes magnétiques et elle s'accrôt en luminosité lorsque le flux des électrons rencontre la haute atmosphère et elle perd de la luminosité lorsqu'il est renvoyé par celle-ci. Les aurores produisent de l'oxyde d'azote. Des champs électriques commandent l'ionosphère et doivent produire des vents neutres augmentés au sein d'un arc auroral. Les arcs auroraux sont ces rideaux verts de lumière familiers, se déplaçant lentement, qui peuvent s'étendre d'horizon à horizon ; ils sont générés par les "courants de Birkeland". Des processus de couplage fonction de l'altitude existent et créent des jets neutres et localisés au sein de l'aurore avec échauffement et effet structurant neutre associet localisés au sein de l'aurores. Un arc en V inversé et un rideau dynamique alfénique sont également liés à l'aurore. Les aurores dites "pulsantes" consistent en ce que l'aurore semble suivre un rythme clignotant correspondent à des ondes dites ondes choeurs qui se produisent à haute altitude. Ce sont des morceaux clignotants, quasi périodiques, de lumière d'à entre des dizaines et des centaines de kilomètres de long et situés à des altitudes, dans les régions de haute latitude (des deux hémisphères), d'une centaine de kilomètres. De multiples morceaux couvrent souvent le ciel entier. Le rythme de la pulsation va de plusieurs à une dizaine de secondes. Les "substorms" qui ont lieu lorsque le vent solaire emporte des lignes du champ magnétique terrestre du côté jour de la Terre au côté nuit, lesquelles s'accumulent et stockent de grandes quantités d'énergie puis cèdent en explosions de reconnexion magnétique, créent une hausse des radiations et du magnétisme qui rebondissent en direction de la Terre et provoquent une aurore. Les aurores pulsantes proviennent de bas niveaux d'électrons secondaires de basse énergie qui ont leur origine dans les électrons qui produisent les aurores habituelles en entrant en collision avec les atomes et les molécules de la haute atmosphère;. Ces électrons circulent d'un pôle à l'autre via les lignes magnétiques du champ terrestre. Cette précipitation intermittence d'électrons énergétiques de basse énergie venant de la magnétosphère vient du fait qu'ils sont éparpillés par les "chorus waves de mode whistler", des ondes électromagnétiques. Une "cusp aurora" (littéralement "aurore d'entonnoir [de la magnétosphère]") est une catégorie particulière d'aurore dans laquelle les particules énergétiques sont accélérées vers le bas dans l'atmosphère directement depuis le vent solaire. Les "entonnoirs" magnétiques (en anglais "cusp"), au-dessus des pôles sont là où l'énergie du vent solaire peut atteindre directement l'atmosphère terrestre, l'échauffer, la faisant croître de taille et déclenchant de forts vents de gaz atmosphériques neutres et ionisés; pendant la nuit polaire, l'entonnoir est visible à l'oeil nu. Les cusp auroras, bient que pas particulièrement rares, n'ont lieu que la journée. Du fait du décalage entre le pôle magnétique et le pôle géographique on peut souvent observer les cusp auroras en Europe du Nord, par exemple, aux alentours du sosltice d'hiver. Le phénomène dit "Strong Thermal Emission Velocity Enhancement" ("forte augmentation de la vitesse d'émission thermale", STEVE) laisse penser que des processus chimiques encore inconnus ont lieu dans la zone sub-aurorale, qui peuvent se traduire par une émission de lumière. Un STEVE produit une sorte d'aurore, verte et pourpre et plus au Sud que la moyenne, avec une forme d'arc étroit aligné Est-Ouest et s'étendant sur des centaines ou des milliers de kilomètres. Le phénomène peut durer de 20 minutes à 1 heure et il apparaît en même temps que l'aurore normale (mais il pourrait n'apparaître qu'à certains saisons). Le "vent auroral" est un fort -mais intermittent- courant d'atomes d'oxygène qui, au cours d'une aurore, s'écoule de l'atmosphère terrestre vers l'espace. Dans et autour de la région où se produit l'aurore existent aussi des courants électriques, dûs au vent solaire, qui, eux, sont invisibles; ils échauffent l'air raréfié de la haute atmosphère via le "processus Joule d'échauffement", ce qui fait augmenter de taille la thermosphère. Les aurores émettent aussi des rayons X qui sont générés par la déccélération des particules qui tombent vers les pôles; les électrons qui passent dans la haute atmosphère révèlent les interactions entre le vent solaire et la magnétosphère et des vents verticaux dans les régions E et F créent une "soupe" de particules tumultueuse qui redistribue l'énergie, la vitesse et les composants chimiques de l'atmosphère (ils contribuent vraisemblablement aussi aux "vents auroraux"). pour plus de détails sur l'activité du Soleil, voir le tutoriel "Le Soleil"

l'oval auroral nord et sud. 'Amateur Astronomy' sur la base de données SEC/NOAA

Lorsque les particules solaires atteignent la haute atmosphère au-dessus des pôles, cela donne naissance à un "ovale auroral", lequel est centré sur les pôles magnétiques. La Terre, en-dessous de l'ovale, tourne sur elle-même. L'ovale se situe vers 100 km (62 miles) -ou plus- d'altitude et aux alentours de 65 à 70° de latitude nord -ou sud (lorsque le champ magnétique interplanétaire pointe vers le Nord, les aurores peuvent se produire à des latitudes plus hautes qui, du fait de leur forme -comme la lettre grecque theta (un ovale barré en son centre)- sont appelées "aurores theta"; ces aurores pourraient être due à du plasma piégé dans la magnétosphère par le phénomène de la reconnexion et dirigé vers l'espace proche de la Terre). L'altitude des aurores varie de 100 à 500km d'altitude. Comme leur nom l'indique les aurores boréales sont des phénomènes des hautes latitudes nord. Le même phénomène, cependant, existe pour les hautes latitudes sud. On parle alors d'"aurores australes". Des évènements solaires particulièrement importants font que les aurores boréales, alors, apparaissent à des latitudes moins importantes, car de tels évènements augmentent l'intensité des aurores (un flare de classe X peut dynamiser les aurores et les faire apparaître, aux Etats-Unis, aussi au Sud que dans l'état de Washington, l'Idaho central, le Nord du Wyoming, les deux Dakotas ainsi qu'à l'Est de Chicago jusqu'à Détroit, New-York et Boston). On a constaté, récemment, une assymétrie concernant les ovales auroraux car celui du Sud se déplace vers le côté "aube" de la Terre, par rapport au pôle magnétique. Et pas l'ovale du Nord. On pense que cela est dû probablement au fait que le champ magnétique terrestre n'est pas un "dipôle" parfait, c'est-à-dire que les charges électriques de la magnétosphère de signe opposé (négative et positive) sont sans doute d'une force légèrement différente. Les deux ovales, par ailleurs, sont, les deux, cette fois, habituellement déviés en direction du côté de la Terre qui est dans la nuit, par rapport aux pôles magnétiques. Cela est dû au fait que la partie de la magnétosphère qui fait face au Soleil est compressée par le vent solaire alors que la partie opposée s'étend sous la forme de cette queue cométaire bien connue. Les aurores boréales se présentent sous des formes et des aspects divers alors qu'elles peuvent être immobiles ou affectées de divers mouvements. En terme de luminosité, elles s'étagent de la luminosité de la Voie Lactée à celle de nuages fortement éclairés par la Lune. Le plus l'aurore est lumineuse, le plus on distingue des couleurs en son sein. La plupart du temps les aurores boréales sont de couleur verte. Mais les aurores ayant lieu très haut peuvent être rouge ou rose du fait des atomes d'azote. Les aurores boréales de couleur rouge ne sont pas aussi habituelles que les aurores vertes; elles sont la conséquence d'une forte activité solaire et ont statistiquement lieu un peu plus aux latitudes basses; elles peuvent atteindre jusqu'à 400km (250 miles) d'altitude. Elles sont créées lorsque des électrons énergétiques échappent aux ceintures de Van Allen et tombent dans l'atmosphère de la Terre. Pour ce qui est de la gamme des couleurs des aurores (rouge, vert et de nombreuses nuances de pourpre), les couleurs correspondent à différentes transitions de type quantique qui affectent les atomes d'oxygène et d'azote, qui sont affectées par les particules solaires. La couleur précise, pour une altitude donnée, dépend de la température et de la densité de l'atmosphère locale. La plupart des aurores ont lieu entre 80 et 320 km d'altitude. Certains s'étendent dans le ciel sur des milliers de kilomètres. Lorsque les particules chargées frappent les atomes et les molécules de l'atmosphère de l'énergie est libérée et cette interaction, lorsqu'elle est accrue au moment des maximums solaires, produit des aurores extrêmement brillantes. La mission THEMIS, de 5 satellites, a récemment repéré que des "lignes directes" de flux magnétique joignent directement le Soleil à la haute atmosphère terrestre, probablement participant activement à l'activité des aurores. Vues dans l'ultraviolet par les satellites, les aurores ont lieu constamment au-dessus de chacun des pôles de la Terre. Le "chant" d'une aurore, par ailleurs, n'est pas une légende. A peine plus audible que le bruit ambiant et possédant un ton métallique, il a été enregistré en 2011 en Finlande. Il semble que la source se situait à 70m de hauteur mais on sait encore mal ce qui donne naissance aux sons et quel est le lien entre la haute atmosphère et l'altitude du son

->Les nuages "nocti-lumineux"
Les nuages "nocti-lumineux" -"noctilucent clouds, en anglais- sont des nuages d'extrêmement haute altitude, de couleur bleu électrique, qui sont vus principalement pendant les mois d'été, aux latitudes supérieures à 40°, après le coucher du Soleil. plus de détails

une aurore boréale très active vue en janvier 2012 depuis la Station Spatiale Internationale alors que l'ISS survolait, à une altitude de 390 km, la ville de Winniper, dans l'état du Manitoba au Canada. site 'Amateur Astronomy' sur la base d'une imageNASA

Le meiller moment pour l'observation des aurores à l'oeil nu est une nuit claire, juste après minuit, aux alentours de l'équinoxe et pendant l'hiver. Mais des aurores calmes et faibles sont présentes tout le temps, nuit et jour. L'activité aurorale se produit habituellement vers 60° de latitude magnétique, vers minuit. Certaines sources donnent le créneau 17h-2h du matin comme une bonne fenêtre. L'aurore dure habituellement entre 15 et 30 minutes (quelques heures avec de la chance) puis elle se fond dans le ciel avant de réapparaître un peu plus tard. Le plus vous vivez à des latitudes nord ou sud, le plus vous avez de chance de voir une aurore (ou, plus précisément, le plus vous vivez à des latitudes magnétiques nord ou sud). Pour ce qui est de l'hémisphère nord, une zone comprenant le Nord immédiat d'Anchorage, l'Alaska, la partie supérieure de la James Bay -au Sud de la baie d'Hudson- le Canada, la Suède du Nord et la partie la plus septentrionale de la Finlande voit, sur une année, des aurores boréales pendant 50% des nuits. La plupart des Etats-Unis, le Sud des Grands Lacs ont, ainsi que le Nord de l'Europe (ainsi le Nord de la France ou le Nord de l'Allemagne), 1 à 5% de nuits avec aurores, dans les mêmes conditions. L'Europe du Sud ne connaît un pourcentage que de 0,05 à 1%. Une source donne le Svalbard (territoire norvégien) comme la Mecque des aurores boréales; certains lieux de la Norvège, la Laponie, le Canada, l'Alaska ou l'Islande sont également des lieux de choix. Les lieux favorables à l'observation des aurores, dans l'hémisphère sud, sont moins nombreux: les lieux les plus favorisés, l'Australie du sud-est et la Nouvelle-Zélande, ainsi, sont cependant à 10° de latitude magnétique plus "bas" que les lieux cités ci-dessus. Seules, dans l'hémisphère sud, les bases de l'Antactique sont les mieux placées ;-) Le soleil de minuit, par ailleurs, au Nord, commence, aux latitudes les plus au Nord, telles l'Alaska, à partir du mois d'avril. A ces époques intermédiaires, on voit les aurores boréales mélangées au crépuscule mais, plus avant dans l'été boréal, la lueur du jour, qui ne cesse jamais, empêche l'observation des aurores. Celle-ci ne peut reprendre qu'à partir du mois d'août. Les aurores boréales se voient au mieux au moment de l'automne et de l'hiver de l'hémisphère nord (la nuit est souvent présente -et les chances que le ciel soit dégagé sont les plus fortes à la fin de cette période). Les périodes dites, en anglais, "shoulder periods" (littéralement "périodes-épaules": fin août-fin septembre, fin mars-mi-avril) peuvent également être suffisamment favorables (mais les nuits sont plus courtes). On notera aussi que les ovales auroraux sont des ovales et qu'ils sont fixes, par rapport à la Terre qui tourne en-dessous d'eux (ils sont fixés par rapport aux pôles magnétiques). Cela, par exemple, pour l'hémisphère nord, aux Etats-Unis, signifie que là où pointe la "pointe" de l'ovale -vers la longitude géographique de St-Louis- l'Alaska, par exemple, chaque nuit, va entrer dans l'ovale puis en ressortir. L'un des avantages du fait qu'aujourd'hui le Soleil est bien surveillé par différents systèmes, est que des sites tels ceux de SOHO ou de la NOAA, l'agence météo américaine, avec la page "Space Weather Enthusiasts Dashboard" (en anglais) consacrée aux astronomes amateurs permettent de bien prédire la survenance des aurores. Un bon index utilisable pour déterminer la possibilité des aurores boréales et australes est l'index "Kp", un chiffre de 0 à 9, que l'on trouve sur les sites officiels qui traitent de l'activité solaire. L'index Kp donne l'intensité de l'activité gé-magnétique. Il faut un Kp de 4 pour que la frontière de l'aurore se situe vers 58,3° de latitude magnétique (la latitude qui se fonde sur les pôles magnétiques). L'autre index utile est la valeur "Bz", qui indique si le champ magnétique solaire, à la Terre, est Nord ou Sud. Lorque la valeur est Sud, on a une autre indication certaine qu'il y aura aurore boréale. Lorque les conditions pour une aurore sont réunies (vent solaire, orientation du champ magnétique interplanétaire), il y a aurore boréale, et australe. Des études récentes montrent que l'automne produit presque deux fois plus d'aurores que la moyenne annuelle et que le printemps est également une saison favorable. L'hiver et l'été sont plus pauvres en aurores. On comprend cependant mal cette répartition. Cela pourrait être lié à la variation annuelle de l'axe de la Terre, donc de celui de l'axe du champ magnétique. En été et en hiver, l'axe du champ magnétique fait un angle avec l'axe du champ magnétique interplanétaire mais pas en automne ni au printemps. Donc, c'est à ces deux dernières saisons que l'opposition entre champ magnétique terrestre et champ magnétique interplanéaire est le plus grand. L'activité aurorale, de plus, est liée au cycle solaire de 11 ans: le plus on est près d'un maximum, le plus on voit d'aurores