Comment se forment les aurores polaires ?

Les aurores font partie des phénomènes lumineux les plus spectaculaires et enchanteurs prenant place sur Terre. Derrière la beauté de ces voiles colorés, se cache le mécanisme de défense déployé par notre planète pour résister aux vents solaires assaillant sans relâche notre atmosphère.

Les aurores polaires, appelées aurores boréales dans l’hémisphère nord et aurores australes dans l’hémisphère sud, sont des phénomènes optiques qui semblent être décrits pour la première fois par l’explorateur grec Phyteas de Massalie, au IVème siècle av. J.-C. À la même époque, le philosophe romain Seneca Le Jeune intègre tout un chapitre sur les aurores dans son premier livre de philosophie naturelle Naturales Quaestiones.

Il les classifie en différents types selon leurs formes, positions et couleurs. Par la suite, de nombreux peuples mentionneront les aurores et les intégreront dans diverses mythologies, notamment les mythologies aborigène et nordique.

Toutefois, ce n’est véritablement qu’au début des années 1600 que le phénomène est étudié scientifiquement. L’astronome français Pierre Gassendi décrit les aurores en 1621 et les nomme « aurores boréales ». Au XVIIIème siècle, l’astronome britannique Edmond Halley suggère que les aurores ont un lien avec le champ magnétique terrestre, hypothèse renforcée par Henry Cavendish en 1768. En 1896, le physicien norvégien Kristien Birkeland reproduit le phénomène en laboratoire.

À partir des années 1950, l’essor de l’exploration spatiale permet de mieux comprendre le mécanisme de formation des aurores terrestres, et de détecter ces phénomènes sur d’autres planètes du Système solaire.

Les mécanismes de formation des aurores polaires

Bien qu’activement étudiées, les mécanismes exacts à l’origine des aurores ne sont pas encore parfaitement connus, même si l’implication d’une interaction entre le vent solaire et la magnétosphère terrestre est indéniable. Lorsque le vent solaire, c’est-à-dire l’éjection par le Soleil d’un plasma de particules énergétiques lors d’une éruption ou d’un sursaut solaire par exemple, frappe la magnétosphère (bouclier magnétique entourant la Terre), plusieurs scénarios peuvent se produire.

Lorsque le vent solaire interagit avec la magnétosphère, des particules solaires peuvent s’immiscer à travers les lignes ouvertes du champ géomagnétique — tandis que ces lignes sont fermées dans l’hémisphère opposé — et provoquer une diffusion des particules par l’intermédiaire de l’arc de choc (zone située entre la magnétosphère et le milieu interstellaire). Le phénomène peut également provoquer la précipitation atmosphérique des particules piégées dans la ceinture de Van Allen.

Un autre mécanisme implique la génération de perturbations géomagnétiques (vortex magnétiques) dans la magnétoqueue. Ces vortex apparaissent lorsque des interconnexions se créent entre les champ magnétiques interstellaire et terrestre. Cela conduit le vent solaire à déplacer les flux magnétiques (lignes magnétiques formant des tubes, imbriquées entre elles par un plasma) du côté jour vers la magnétoqueue, contractant celle-ci côté nuit.

Ce déplacement peut s’accompagner de reconnexions magnétiques (lignes magnétiques qui se rompent et se reconnectent) et de plasmoïdes (structure de plasma et lignes magnétiques entremêlés) injectant de nombreuses particules au plasma piégé autour de la Terre.

Enfin, le troisième mécanisme implique des perturbations géomagnétiques conduisant à l’accélération de particules par le vent solaire. Les perturbations, dues à des interactions ondes-particules causées par de puissants champs électriques, entraînent l’accélération des particules chargées le long des lignes magnétiques. L’émergence d’ondes électromagnétiques et électrostatiques pulsatiles précipitent les particules accélérées dans l’atmosphère terrestre.

Dans tous les cas, chacun de ces scénarios aboutit à l’excitation des atomes de la ionosphère. Lorsque ceux-ci se désexcitent, un électron redescend d’un niveau d’énergie en émettant un photon dont la longueur d’onde dépend directement de l’énergie du niveau. Selon l’altitude (entre 80 et 1000 km), les ions mis en jeu ne sont pas les mêmes, les énergies ne sont donc pas les mêmes, donnant ainsi lieu à des aurores de couleurs différentes.

L’origine des différentes couleurs des aurores polaires

La couleur rouge n’apparaît qu’en haute altitude où les atomes d’oxygène excités émettent à la longueur d’onde de 630 nm (rouge), donnant ainsi des teintes de carmin, écarlate et cramoisi. La couleur verte est la couleur dominante des aurores, et implique les atomes d’oxygène ainsi que l’azote moléculaire ; elle apparaît à plus basse altitude, où les collisions entre particules neutralisent le mode à 630 nm, laissant une émission dominante à 557.7 nm (vert).

La couleur bleue, impliquant principalement l’azote moléculaire, apparaît à une altitude encore plus basse ; l’azote émet dans les bandes rouges et bleues du spectre, avec un mode dominant à 428 nm (bleu). D’autres gammes comme les ultraviolets, les infrarouges, le jaune ou le rose sont possibles.

Les aurores apparaissent majoritairement dans la zone aurorale (3° à 6° de largeur en latitudes et 10° à 20° en longitudes) et sont visibles dans le ciel de nuit. Une zone où prend place une aurore est appelée « ovale auroral » et une carte de ces ovales auroraux est régulièrement mise à jour. Grâce à une étude de plus de 12’000 aurores, l’astrophysicien Carl Størmer et ses collègues ont établi que celles-ci apparaissent principalement entre 90 et 150 km d’altitude.

Les aurores polaires sur d’autres planètes

Les aurores peuvent avoir lieu sur n’importe quelle planète possédant un champ magnétique. Cependant, les mécanismes à l’origine de leur formation peuvent différer. C’est le cas notamment de Jupiter où des aurores apparaissant suite à l’interruption de la rotation du plasma par le champ magnétique autour de la planète, à cause de l’élargissement des vitesses d’entraînement.

En outre, les satellites de Jupiter sont à l’origine de « spots auroraux » en générant des champs électriques par leur déplacement dans le champ magnétique planétaire. Des aurores polaires ont également été détectées sur Saturne, Neptune, Uranus, Vénus, Mars et même sur des exoplanètes.