Les aurores polaires, phénomènes lumineux de l'ionosphère
La reconfiguration de la magnétosphère, décrite précédemment, se traduit par l’'apparition des aurores polaires. Le plasma solaire arrive dans l'atmosphère terrestre à très grande vitesse. Les particules de ce plasma (électrons et protons) entrent en collision avec les atomes et les molécules neutres que recèle notre ionosphère, provoquant l'excitation et éventuellement l'ionisation de ces derniers. Nous allons montrer comment ces phénomènes expliquent la couleur et l'’aspect des aurores.
1) L'’excitation des atomes
Les électrons des atomes de l'’ionosphère entrent dans un état excité, c'’est-à-dire que les électrons des couches internes de l'atome vont migrer vers les couches externes. Ils gagnent ainsi de l'’énergie. Les électrons, désormais dans une situation très instable, vont retourner sur leur couche originelle, à l'’état normal. Ils réémettent alors l'’énergie absorbée lors de la collision sous forme de photons, particules élémentaires de lumière, dans une longueur d’onde caractéristique de l'’atome considéré.
2) L'’ionisation des atomes
Les atomes heurtés dans l’'ionosphère sont ionisés, c'’est-à-dire qu'’un ou des électrons de ces atomes sont expulsés sous la force de l'’énergie transmise par les particules du plasma. Des photons sont alors émis. Les atomes deviennent des cations, ions chargés positivement, par la perte d'’un ou de plusieurs électrons. Pour revenir à un état stable, ces cations vont de nouveau capter les électrons perdus, libérant aussi des photons.
3) Les couleurs des aurores
Les émissions lumineuses aurorales proviennent de la désexcitation des atomes des gaz de la haute atmosphère. Il y a alors émission de photons. Pour comprendre pourquoi certaines aurores sont invisibles et pourquoi les couleurs varient d’'une aurore à l’'autre, il faut s'’intéresser au spectre lumineux.
Le spectre de la lumière blanche
Le prisme est un instrument d'’optique dispersif : il permet de dévier et de décomposer la lumière blanche. On peut ainsi obtenir sur un écran un spectre, une figure de dispersion montrant la décomposition de la lumière blanche par le prisme.
Les différentes lumières colorées composant la lumière blanche sont appelées des radiations. A chaque radiation est associée une longueur d'’onde précise, qui s’'exprime en mètre. Les radiations visibles sont comprises entre environ 400 et 800 nm et sont celles de l'’arc-en-ciel, mais il existe également des radiations ultraviolettes (<400nm) et des radiations infrarouges (>800nm), qui sont invisibles pour les yeux de l'’homme.
Désexcitation des atomes et libération de photons
Nous avons vu précédemment que les particules excitées ou ionisées retournent à leur état fondamental en restituant l'énergie acquise par le choc sous forme de photons, dans des longueurs d'onde caractéristiques de l'atome considéré. Les principaux facteurs ayant de l'’importance pour la couleur des aurores sont :
- l'’énergie fournie lors des collisions. En effet, ces collisions vont causer des excitations ou ionisations plus ou moins importantes, et donc influencer la quantité d'’énergie libérée.
- l’'altitude dans l'’ionosphère, puisque la concentration et la composition des gaz pouvant être excités ou ionisés changent suivant l’'altitude.
Les émissions aurorales se font dans l’'invisible (ultraviolet) et dans le visible. Elles ont généralement lieu entre environ 90 et 300 km d’altitude, mais elles peuvent se dérouler de 60 km jusqu’à 1000 km d'’altitude selon l'’activité solaire.
Le diazote et le dioxygène, représentant respectivement 79% et 20% de la composition de l'’atmosphère, vont réaliser les principales émissions visibles. La couleur de ces émissions est donc dominée par les bandes moléculaires et les raies atomiques de l’'azote, de l'’oxygène et de leurs ions.
- A 200-300 km d’altitude : l'’atome d'’oxygène excité émet à une longueur d’onde de 630,0 et 636,4 nm, ce qui donne une couleur rouge à l’'aurore.
- Entre 100 et 200 km d’altitude : les électrons frappent des molécules de diazote, qui vont ainsi s'’ioniser (donnant l'’ion N2+) et émettre une lumière bleu-violette à une longueur d'’onde de 391,4 et de 427,8 nm. Elles émettent aussi un électron secondaire qui pourra exciter un atome d’'oxygène, qui émettra lui-même une lumière verte à 557,7 nm pour retourner à l'’état stable.
- En dessous de 100 km d'’altitude : le diazote prédomine, l'’émission est rouge sombre entre 650 et 680 nm, parfois bleue s'’il s'’agit de diazote ionisé.
On trouve également dans le spectre des aurores des émissions de l'’hydrogène à 656,2 nm (couleur rouge), 486,1 nm (bleu vert) et 434 nm (bleu) dans le visible, et 121,6 nm dans l’'ultraviolet.
4) Les différents types d’'aurores
Les aurores se caractérisent par une importante diversité de formes, d’'étendue et d’'intensité d'’émission, qui donnent des indices sur l'’activité du champ magnétique terrestre. Cette variété fait qu’il est très difficile de les classer en différentes catégories. Généralement, on en distingue deux : les aurores diffuses et les aurores discrètes.
Les aurores diffuses
Les aurores diffuses présentent peu de contrastes, ont un éclat faible et sont assez étendues. A l'oeœil nu, on ne remarque pas toujours leur présence. Elles sont pourtant quasiment tout le temps présentes la nuit dans les régions aurorales. Elles sont dues à des précipitations de particules peu abondantes, d'’énergie faible et correspondent donc plutôt à des périodes d’'activité solaire faible.Les aurores diffuses peuvent notamment prendre deux formes :
- des taches, zones de luminosité aurorale de faible étendue ayant l'’apparence d’un nuage;
- des voiles, zones lumineuses de grande extension couvrant parfois le ciel entier.
Les aurores discrètes
Contrairement à ce que pourrait suggérer leur nom, les aurores discrètes sont plus spectaculaires et plus brillantes que les aurores diffuses, mais moins fréquentes. Elles sont dues à des précipitations de plasma dont l'énergie est beaucoup plus importante que dans le cas des aurores diffuses, et de ce fait, elles correspondent plutôt à des périodes de forte activité solaire. Les aurores discrètes présentent de nombreuses formes :
- des arcs, courbes qui s’'étendent d’'un bout à l'’autre de l’'horizon;
- des bandes, arcs avec des rayons verticaux parallèles les uns aux autres et présentant des replis ; leur base est lumineuse mais leur sommet est flou;
- des couronnes, situées au zénith (point à la verticale de l'’observateur situé au-dessus de la tête) projetant des faisceaux de lumière dans toutes les directions;
- des raies, traits de lumière alignés et suspendus verticalement;
- des draperies, formes faisant penser à un drap qui s’'agite au gré du vent;
