Les Aurores Polaires

La haute atmosphère est le siège de phénomènes lumineux comme les aurores polaires. On parle d’aurores boréales pour l’hémisphère nord et australes pour l’hémisphère sud.
Observées depuis l’antiquité, elles sont en relation étroite avec le champ magnétique terrestre et lors de grandes tempêtes magnétiques, elles peuvent donner naissance à des phénomènes très spectaculaires.
L’aurore devient perceptible à l’œil lorsque le contraste avec le ciel nocturne est suffisant. Les parties les plus brillantes des grandes aurores atteignent une luminance qui est certainement supérieure à dix mille fois celle du ciel nocturne. On trouve, dans la littérature, mention d’aurores qui auraient atteint la luminance du ciel bleu ou de la pleine lune, qui est d’ailleurs du même ordre de grandeur, mais la réalité de ces observations n’est pas certaine.


Des Aurores et des Hommes

Dans le passé les hommes ont mystifié les aurores et selon les peuples, L'aurore et l'hivernantelles n’avaient pas la même signification.
Pour les peuples du grand Nord comme les Inuits, qui avaient l’habitude d’en voir, l’aurore boréale était une amie. Elle était le chemin de lumière qui conduisait les esprits vers le paradis de la nuit. Pour d’autres peuples, tels les amérindiens, plus les aurores étaient brillantes et fantasques et plus leurs défunts étaient heureux. Durant les longues nuits d’hiver, elles deviennent pour tous ces hommes des promesses de bonheur, de fête et de gaité.
Pour les peuples plus au sud, bien moins habitués à en voir, les aurores étaient le signe de funestes présages.
Pour nous, hivernants, elles nous ont tout simplement fait rêver toute une année.


Comment naissent les aurores ?

Lors de violentes éruptions solaires, d’énormes quantités Variation du champ magnétique enregistrée à la base Dumont d'Urville lors de l'aurore du 30 Juin 2010de protons et d’électrons sont propulsées dans l’espace. Ces éléments vont venir alors heurter la magnétosphère (=le champ magnétique terrestre). La plupart de ces particules vont rebondir sur ce bouclier magnétique mais certaines vont réussi à le franchir. Elles vont alors être piégées par les lignes du champ magnétique qui vont les forcer à se diriger vers les pôles. Ces protons et ces électrons vont alors rentrer en collision avec les molécules présentes dans la haute atmosphère, la ionosphère, provoquant la libération de photons, donc de lumière.
Les aurores peuvent présenter des changements d’intensité appelés pulsations ou flamboiements.

Les aurores descendent très rarement en dessous du 50° parallèle, excepté lors de violentes éruptions solaires ou lors du maximum d'activité solaire (dont le cycle est de 11 ans).


Quelles sont les différentes formes des aurores ?

Les formes élémentaires de l’aurore peuvent se répartir en trois grands groupes :


La forme homogène type est l’arc, orienté Principales formes auroralessensiblement suivant un parallèle géomagnétique, qui le plus souvent traverse tout le ciel, mais qui parfois est incomplet. Une forme voisine est la bande qui se distingue de l’arc en ce que sa forme est beaucoup moins régulière présentant même des repliements.

Parmi les formes à rayons, on doit distinguer d’abord les formes mixtes l’arc et la bande rayée. Ce sont des formes analogues à l’arc et la bande homogène mais où l’on voit une structure formée de rayons orientés suivant les méridiens géomagnétiques. Lorsque la bande rayée a une grande largeur, elle devient une draperie. D’autres formes à rayons sont les rayons isolés. Lorsque ceux-ci sont nombreux par suite d’un effet de perspective, ils semblent provenir du zénith magnétique et l’on a alors une couronne.

Parmi les formes diffuses, on reconnaît la lueur diffuse qui est en général (et peut-être toujours) un arc situé en dessous de l’horizon, les taches de formes irrégulières et les surfaces diffuses qui donnent l’impression d’un ciel couvert de cirrus éclairés par la lune.


A quelles altitudes sont les aurores ?

Les aurores se manifestenet dans la ionosphère, c'est à dire entre 100 et 1000 kilomètres d'altitude. Bien que la limite supérieure des aurores se situe à 2000 kilomètres, la majorité des aurores se situent entre 60 et 300 kilomètres.

Parmi les aurores classiques (et donc les plus nombreuses), il y a certainement plusieurs phénomènes bien distincts. L’un est essentiellement un phénomène de basse altitude dont la base est situé à 105 kilomètres en moyenne ; c’est l’aurore normale très fréquente au voisinage des zones de maximum d’activité aurorale, sa couleur est verdâtre (je reviendrai sur les couleurs des aurores un peu plus loin). L’épaisseur des arcs est faible, de l’ordre de 20 kilomètres ; l’extension en altitude des bandes et des draperies est nettement plus grande, environ 80 kilomètres.
L’autre phénomène auroral est beaucoup plus élevé, son altitude est au moins égale à 250 kilomètres ; il est plus fréquent aux périodes de grande activité solaire.
Il existe peut-être un troisième phénomène auroral. Il a été observé des arcs faibles et étroits à une altitude toujours voisine de 200 kilomètres. Mais à priori, on ne sait quasiment rien sur ces aurores.

Les deux premiers phénomènes décrits ci-dessus paraissent être, dans une certaine mesure, indépendants. Il semble d’après les observateurs que des aurores de basse altitude même très intenses n’entraînent pas forcément l’apparition d’une aurore de haute altitude et que réciproquement quelques aurores de ce dernier type aient été observées dans les régions polaires en l’absence de toute aurore de basse altitude.


Les couleurs des aurores polaires

L’atmosphère terrestre est grossièrement composée à 80% d’azote (N2) et à 20% d’oxygène (O2). Lorsque les particules solaires, protons et/ou électrons, arrivent dans la ionosphère elles vont interférer avec ces molécules d’oxygène et d’azote. C’est cette interférence qui provoque la libération de lumière.

Deux mécanismes ont principalement été proposés pour ce dégagement de lumière:

Si certaines personnes connaissent bien les aurores, ils m’en voudront peut-être d’avoir pris pas mal de raccourcis, voir d’avoir bien simplifié ces phénomènes physiques mais après cela devient vite compliqué et ce n’est pas le but de ce texte. Si vous voulez vous renseigner d’avantage sur les aurores et sur les phénomènes responsables de l’émission de lumière vous rencontrerez des termes comme désexcitation par collision ou encore recombinaison radiative…enfin il faut aimer la physique mais avec des bonnes bases c’est accessible.

Aurore Australe

Bon, nous savons maintenant ce qui provoque l’apparition de lumière. Mais d’où vient ce panel de couleur?

Lorsque l’aurore est suffisamment intense pour que sa couleur soit discernable elle est normalement verdâtre, ce qui est dû à l’intensité de la raie verte (557,7 nm) dont la longueur d’onde est voisine du maximum de sensibilité de l’œil.Mais ce qui fait que les couleurs des aurores peuvent varier c’est l’altitude à laquelle se produit le phénomène : le spectre de l’aurore change avec l’altitude.


Dans la région des 100 kilomètres d’altitude, le spectre de l’aurore est caractérisé par l’importance des systèmes moléculaires de l’azote neutre. On a alors une émission de lumière principalement verte (557,7 nm) qui est environ dix mille fois plus intense que la raie rouge (630 nm).
Aux altitudes plus basses, de 60 à 100 kilomètres, les bandes du premier système positif de N2 et les bandes du premier système négatif de O2+ deviennent prédominantes et donnent à l'aurore sa couleur rouge.
Aux altitudes de l’ordre de 250 kilomètres et supérieurs, la radiation la plus intense de l’aurore est la raie rouge alors que la raie verte est beaucoup plus faible et peut même disparaître complètement. A ces mêmes altitudes, l'azote ionisé emet du bleu (427,8 nm) et du violet (391,4 nm).

J’ai tiré la plupart des explications ainsi que les dessins sur les aurores du livre suivant : C.DeWITT, J.HIEBLOT, A.LEBEAU, GEOPHYSICS The Earth’s Environnement, Gordon and Breach (1962), 303-368.


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