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Sciences

Les aurores boréales : spectacle cosmique sur grand écran

Préparé par : M. Mikko Syrjäsuo, Alberta Ingenuity Fellow, Université de Calgary

Les aurores illuminent le ciel nordique. Plusieurs imageurs auroraux sont en exploitation sous le dôme de l'Observatoire géophysique à l'Université d'Athabasca.

Tout commence avec l'étoile la plus rapprochée de la Terre : le Soleil. Sa surface est tellement brûlante qu'il s'y forme un vent solaire qui circule en flux ininterrompu. Ce vent assez puissant transporte avec lui des particules à travers le système solaire et bien au-delà. Il souffle continuellement à des vitesses variables. Sa vitesse moyenne se situe autour de 400 km/s (la vitesse sur les autoroutes s'approche de 30 mètres à la seconde) mais il peut atteindre jusqu'à 1000 km/s lorsqu'il souffle en rafale ou lors de tempêtes solaires. Il transporte alors une plus grande quantité de particules.

Le vent solaire contourne la planète comme l'eau contourne un obstacle dans un ruisseau.
(Image : Mikko Syrjäsuo)

Le vent solaire gronde autour de la Terre mais ne peut pas atteindre directement le sol de notre planète parce que le champ magnétique de la Terre agit comme un écran. Ce pare-brise invisible s'appelle la magnétosphère.

Le flux du vent solaire qui rugit à l'extérieur de la magnétosphère est la source de puissance à l'origine des aurores boréales. 

Ce vent, qui est essentiellement constitué de gaz ionisés conducteurs de courant électrique, agit comme un conducteur mouvant dans le champ magnétique de la Terre. Comme pour toute génératrice d'électricité, où le conducteur se déplace dans un champ magnétique, le mouvement créé un courant électrique. En fait, le vent solaire et le champ magnétique de la Terre forment une génératrice aux proportions démesurées : cette dynamo électrique crée des courants atteignant des millions d'ampères dans l'espace circumterrestre et dans la haute atmosphère. Les courants électriques (ou les électrons en mouvement) entraînent aussi éventuellement le déplacement des protons et d'autres ions. Toute cette activité engendre des milliers de milliards de watts capables de susciter des remous considérables dans n'importe quel environnement.

Notre téléviseur cosmique est syntonisé sur le spectacle de l'activité solaire. (Illustration adaptée de Davis, The aurora watcher's handbook, 1992)

La formation d'une aurore boréale s'apparente au fonctionnement d'un téléviseur. On branche d'abord la télé dans une prise électrique à la suite de quoi la base du tube cathodique commence à émettre une profusion d'électrons. Ces derniers subissent une accélération et sont guidés par des champs électriques et magnétiques de telle sorte qu'ils frappent des endroits précis sur l'écran du téléviseur. L'écran qui est enduit de phosphore émet de la lumière lorsqu'il est frappé par des électrons et c'est cette lumière qui forme une image.

Comme nous pouvons le voir dans l'ombre de la Terre, les électrons et les protons sont guidés dans les zones aurorales qui encerclent les pôles magnétiques. L'image ne nous montre que le pôle Nord. Mais il y a aussi les aurores australes dans l'hémisphère sud. (Illustration adaptée de Jussila, Aurora, 2001)

Dans le téléviseur cosmique, l'énergie provient du vent solaire et sert à accélérer les électrons et les protons dans la magnétosphère. Les particules sont ensuite guidées par le champ magnétique terrestre jusqu'à ce qu'elles se précipitent dans la haute atmosphère et produisent des aurores boréales. Les spécialistes des aurores boréales précisent souvent que cette analogie avec un téléviseur va encore plus loin : la tension d'accélération, autant dans les aurores boréales que dans les téléviseurs, se situe autour de 20 000 volts. Quant au reste, les scientifiques hésitent un peu : le mécanisme réel qui crée ce potentiel électrique à l'endroit voulu n'est pas très bien compris. Le spectacle cosmique est manifestement programmé par les variations qui se produisent dans le vent solaire, mais nous n'en savons pas encore suffisamment pour expliquer les formes que prennent les aurores boréales. Quoi qu'il en soit, nous avons la certitude que le spectacle s'articule autour de l'environnement que constitue notre planète.

Le vent solaire qui souffle continuellement provoque des aurores boréales pendant toute l'année, même pendant l'été. Sur cette image prise au grand angulaire dans l'Athabasca le 25 juillet 2004, le zénith (directement vers le haut) est au milieu de l'image; le nord est en haut et l'est est à droite.

Étant donné que le vent solaire souffle continuellement, il y a toujours des aurores boréales. Nous pouvons même en voir pendant le jour. Mais il y a une condition essentielle pour les voir : il faut que la journée soit sombre comme c'est le cas dans l'Arctique vers le milieu de l'hiver, quand le soleil ne se lève pas. Les couleurs des aurores boréales sont le résultat de diverses collisions. Par exemple, les électrons qui frappent des atomes d'oxygène atmosphérique à des vitesses différentes produisent des couleurs jaune-vert ou rouges. D'autre part, les collisions avec des molécules d'azote produisent des bleus ou des violets. L'intensité des aurores boréales dépend tout simplement du nombre de collisions : une précipitation plus importante de particules engendre des aurores boréales plus brillantes. Toutes ces collisions se produisent à des altitudes d'environ 90 kilomètres ou plus.

Il y a encore une foule de questions qui continuent d'intriguer les physiciens spatiaux. Au Canada, nous fabriquons et exploitons des imageurs auroraux, des magnétomètres et des radars ionosphériques ainsi que des satellites et des sondes qui servent à étudier les aurores boréales. Nous créons des modèles mathématiques et réalisons des simulations qui permettent de vérifier si nous sommes dans la bonne voie ou non. Mais parfois, il est beaucoup plus agréable de mettre la science de côté et de s'adonner au plaisir de l'observation de ce spectacle que nous offrent les aurores boréales.