Aurores polaires

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Phénomène lumineux atmosphérique, essentiellement visible à haute latitude nord (auore boréale) ou sud (aurore australe), quand des particules électrisées sont précipitées dans la haute atmosphère.

Les aurores polaires découlent de l’interaction du vent solaire et de la magnétosphère terrestre. Leur base se situe entre 80 et 300 km d’altitude, et leur extension verticale peut atteindre 500 km. Elles présentent des structures variées : taches diffuses (aurores diffuses), arcs auroraux isolés, rubans de plusieurs milliers de kilomètres ; la présence de stries parallèles aux lignes du champ géomagnétique peut leur donner l’aspect de draperies aux multiples replis ou de couronnes dont les rayons semblent converger vers le zénith magnétique. L’observation spatiale met en évidence l’existence simultanée de ces diverses structures tout au long de l’ovale auroral qui entoure les pôles géomagnétiques, à 12° environ du côté jour et 22° du côté nuit.

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La luminosité des aurores peut parfois dépasser celle de la pleine lune ; les aurores boréales sont généralement plus lumineuses que les aurores australes qui leur sont conjuguées. Lorsque le seuil de détection de la couleur est atteint, les aurores paraissent verdâtres ou, plus exceptionnellement, pourpres, violettes ou bleutées. L’analyse spectroscopique met en évidence des raies atomiques et des bandes moléculaires caractéristiques de l’excitation des constituants atmosphériques. Des aurores polaires sont également observées dans l’atmosphère des planètes géantes du système solaire, en particulier Jupiter et Saturne.

Dès le début, les scientifiques ont vu apparaître le besoin de créer une classification des aurores prenant en compte leur étendue et leur intensité. Les variations rapides de forme et d’intensité ainsi que la mouvance caractéristique des aurores lors du maximum d’activité ont rendu difficile la définition d’un cadre strict. Toutefois, aujourd’hui, on reconnait deux types principaux d’aurores : les formes diffuses et les formes discrètes.

Les formes diffuses

Les formes diffuses sont les tâches, les lueurs et les voiles qui occupent une grande zone dans l’atmosphère, tant en latitude qu’en longitude, c’est à dire sur plusieurs milliers de kilomètres. Elles ont dans l’ensemble une luminosité uniforme, mais avec des contours plutôt flous. On les observe principalement entre minuit et deux heures du matin. Ces aurores polaires sont dites quiescentes.

Les formes discrètes

Dans les formes discrètes, on trouve les bandes et les arcs (draperies et couronnes). Celles-ci s’étendent sur une distance considérable en longitude mais en latitude, elles sont plutôt fines (un à dix kilomètres). On peut les observer entre 22h00 et 01h00 du matin. Les aurores de forme discrète sont homogènes, ou rayées selon des lignes suivant le champ magnétique terrestre, leur donnant un aspect de feuillets lumineux.

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Chromo-chimie :

L’atmosphère au-dessus 100 km est principalement constitué de molécules d’azote et d’atomes d’oxygène, avec plus d’azote à 100 km que d’oxygène. Au-delà d’environ 190-200km, la transition se fait entre azote et oxygène, ce dernier devenant prépondérant. En fait, la couleur des aurores boréales peut nous renseigner sur leur altitude: elle reflète la composition de la couche atmosphérique dans laquelle elle se produit.

Voici un exemple de la vie de tous les jours pour comprendre la lumière des aurores. Des électrons frappent sur un écran de télévision, laissant apparaître différentes couleurs selon le type de phosphore (rouge, vert, bleu) qui recouvre le tube cathodique. Parallèlement, la lumière solaire (ou les électrons) qui arrive dans l’atmosphère terrestre entre en collision avec différentes molécules. Chacun des gaz atmosphériques va briller différemment selon son état, neutre ou chargé, et aussi selon l’énergie de la particule qui la frappe.

Un des principaux acteurs de cette émission, est l’oxygène atomique excité, qui émet de la lumière de différentes couleurs, les plus intenses étant dans le vert (557.7nm) et le rouge (autour de 630nm).

Le diazote (azote moléculaire, neutre ou ionisé) émet des rayonnements rouge (azote moléculaire N2), bleu et violet.

Quant à l’azote, présent à toutes les altitudes en proportion variable, il émet dans le rouge.

=> c’est la combinaison de ces rayonnement de l’oxygène atomique et du diazote, ainsi que leur changement relatif avec l’altitude, qui définit la teinte des aurores observées.

 

A haute altitude, au-delà de 200km, elles  émettent une lumière rouge foncé, essentiellement liée à l’oxygène atomique (doublet à 630 et 636 nm, dites « raies vertes aurorales »). Ces aurores toutes rouges sont rares. C’est d’ailleurs ce genre d’aurores qui a quelquefois causé la confusion: certains avaient pris une aurore polaire rouge pour la lueur d’un feu de grande envergure; plus d’une fois on a fait appel aux pompiers pour éteindre… une aurore polaire!…

Cette émission disparaît à plus basse altitude car les atomes d’oxygènes se désexcitent alors préférentiellement par collisions avec les molécules de diazote (en-dessous de 150km).

La couleur jaune-verte, la plus éclatante et la plus fréquente, est émise par les atomes d’oxygène qui sont à environ 100 km d’altitude (raie verte d’oxygène atomique à 557.7nm, dite « raie verte aurorale »), généralement excités par des électrons secondaires issus de l’ionisation de l’azote. Cette coloration due à l’oxygène disparaît en-dessous de 100km, car alors il n’y a quasiment plus d’oxygène atomique.

Dans cette même zone, il existe une émission intense liée au ions azote, qui émettent dans le bleu

Lorsque des particules hautement énergétiques atteignent les basses altitudes, ils déclenchent l’émission bleu et violette de l’azote moléculaire ionisé (N2+, notamment à 391.4nm d’intensité comparable à la raie verte de l’oxygène; 427.8nm peu visible), et finalement rouge pale des molécules d’azote (qui sont neutres aux plus basses altitudes) observée comme une large bordure rouge ou magenta sur le bord inférieur de rideaux aurorale.

Cet effet est renforcée par le mouvement rapide associés à ces écrans très énergiques.

Il est également possible de voir des vagues de feu vert « chasser » le magenta, un effet causé par le décalage temporel entre l’oxygène et le di-azote excité: les atomes d’oxygène persistent pendant environ une seconde dans leur état instable avant la désintégration, tandis que les émissions de molécule diazote sont instantanés.

On peut également retrouver les spectres d’émission de l’hydrogène avec les raies de la série de Balmer dans le visible (656.2 nm, 486.1 nm, 434.0 nm), et de la série de Lyman dans l’ultraviolet (121.6 nm)…

Les couleurs des aurores polaires varient quant à elles en fonction de l’altitude et de la nature des atomes excités :

le mauve : correspond aux molécules d’azote excitées à 100 km d’altitude ;

le jaune et le vert : correspondent aux atomes d’oxygène excités à 100 km d’altitude ;

le rouge foncé : correspond aux molécules d’oxygène excités à plus de 100 km d’altitude ;

le rouge : correspond à l’excitation des atomes d’azote, à toute altitude.

 

 

 

 Histoire  :

L’historique des théories

La première hypothèse concernant les aurores polaires viendrait d’Anaximandre (philosophe grec né à Milet en 610 av. J.-C., mort vers 546 av. J.-C )qui aurait invoqué la présence de nuages enflammés à l’horizon. La description de ce phénomène s’apparente à une aurore puisqu’une aurore se trouve être un phénomène qui apparaît à l’horizon vers un des pôles magnétiques. Ensuite, pour ce qui est des nuages enflammés, il faut tenir compte du fait qu’Anaximandre fait partie des monistes qui affirment que tous découlent d’un seul élément primordial. Pour Anaximandre, il s’agit de l’air qui se transforme en feu par les nuages qui s’enflamment. Par la suite, d’autre personnages de l’Antiquité ont aussi mentionné un phénomène qu’on identifie aujourd’hui comme des aurores: Aristote et Sénèque qui les ont observés comme des phénomènes de type atmosphérique, les Grecs ayant cherché à éliminer le facteur divin de l’explication de la nature. Cependant, cette tendance à éliminer le coté mythique comme explication de la nature rencontre un recul vers la fin de l’Antiquité et le Moyen-âge.  Il a fallu la Renaissance pour que de nouvelles théories soit élaborées pour chercher à expliquer ces phénomènes.

Plusieurs théories pour expliquer ce phénomène se succédèrent fortes différentes les unes des autres. Cependant, la théorie qui resta la plus longtemps est celle de Mairan (1678-1771). Cette théorie expliquait l’aurore par la présence d’un vapeur lumineuse entre le soleil et la terre et qui s’arrachait par la terre. Cependant, cette théorie fut assez vite remplacée par l’observation de perturbation des compas lors des aurores ce qui implique que le champ magnétique de la terre a une importance. Cette découverte fut faite par Anders Celsius et Johan Carl Wilcke. Au fil du temps plusieurs théories ont été élaborées pour chercher à expliquer le phénomène des aurores boréales jusqu’à ce que James Cook observe un phénomène similaire dans l’hémisphère austral en 1773. C’est finalement au milieu du XIXe siècle, qu’un norvégien du nom d’Olaf Birkeland arriva avec la théorie du fonctionnement des aurores .

 

Conférence expérimentale :


Activité en temps réel :

 

(Source : NOAA )

 

(source)

(source : larousse , univers-astronomie.fr, histoireetcivilisation.com )

Liens :

http://gi.alaska.edu/AuroraForecast/travelers-guide

http://www.swpc.noaa.gov/

http://www.aurora-service.eu/aurora-forecast/

http://www.auroraskystation.com/en/

http://www.escales-nordiques.com/webcam-previsions-aurores-boreales/

http://actualite.lachainemeteo.com/actualite-meteo/2015-06-27-06h26/aurores-boreales-en-france-ces-jours-ci-28297.php

http://www.infoclimat.fr/photolive-photos-meteo-190255-aurore-boreale-en-france.html#photo6

http://aurorawatch.lancs.ac.uk/