Avec les aurores boréales, c’est lorsque le rideau tombe que le spectacle commence. Elles se présentent comme de vastes voiles ondulant dans l’air aux couleurs principalement vertes et rouges. Elles sont observées la nuit et le plus souvent autour de la latitude de 70 degrés. C’est pourquoi on les désigne également sous le nom d’aurores polaires. Mais elles peuvent l’être aussi à Vancouver et plus au sud encore. Le phénomène dure plusieurs dizaines de minutes. La lumière des aurores boréales est provoquée par l’arrivée soudaine de particules électrisées rapides entrant en collision avec les atomes situés entre 80 et 150 km d’altitude. La nature des atomes en interaction détermine la couleur : l’oxygène donne le vert et le rouge, l’azote le bleu et le rouge. Lors des chocs, les électrons des atomes changent de niveau d’énergie en émettant des photons qui sont des grains de lumière.
Origines du nom Au cours des siècles, de nombreuses croyances se sont développées dans les régions nordiques sur l’origine et le sens des aurores boréales. Mais ce n’est qu’au XVIIe siècle que l’étude scientifique commence avec un astronome français, Pierre Gassendi, qui serait à l’origine du terme « aurore boréale ». L’astronome anglais Edmond Halley fait, au XVIIIe siècle, l’hypothèse du rôle joué par le champ magnétique terrestre. Birkeland, un physicien norvégien, reproduit le phénomène en laboratoire en 1896 par l’étude de particules électrisées. Avec la naissance de l’ère spatiale, en 1957, l’étude des aurores boréales s’intensifie. Les instruments de mesure d’un champ magnétique sont faciles à réaliser. Ils équipent dès lors les premiers satellites. En 1958, la coquille magnétique, appelée magnétosphère, formée par l’extension dans l’espace du champ magnétique terrestre et son confinement par les particules en provenance du Soleil, est découverte par le satellite Explorer 1. Cette région s’étend au-delà de l’ionosphère dont l’altitude maximum est environ 1 000 km ; sa frontière externe est appelée magnétopause. Le fonctionnement de la magnétosphère, sous l’influence du Soleil, devient le théâtre des aurores boréales.
Le Soleil, ce grand stratège D’où viennent ces particules qui bombardent soudainement les régions où se manifestent les aurores polaires ? Le grand instigateur est le Soleil. La rotation de la surface du Soleil induit des mouvements de matière dans les couches profondes de celui-ci. Il en résulte la formation d’un puissant champ magnétique. Pour des raisons encore assez mystérieuses, le champ magnétique solaire « s’agite » tous les 11 ans en moyenne. D’où l’appellation d’orages magnétiques. Ceux-ci sont alors accompagnés d’orages solaires où d’énormes quantités de particules électrisées, électrons et protons en particulier, sont éjectées dans l’espace. Après un voyage de deux à trois jours, cette bouffée violente atteint l’environnement de la Terre. La plupart de ces particules sont bloquées et déviées par la coquille magnétosphérique, qui ressemble à un bateau avec son sillage. Certaines particules rentrent dans la magnétosphère par les pôles de la Terre et sont canalisées dans ce sillage qui forme la queue magnétosphérique du côté opposé au Soleil, le côté nuit. Ici, le champ magnétique est étiré avec des boucles extrêmes situées à environ 12 rayons terrestres. D’autres lignes du champ magnétique, correspondant aux latitudes polaires, ne sont pas refermées. Suivant ces lignes, dites ouvertes, un flux de plasma formé d’électrons et de protons s’écoule dans l’espace interplanétaire. Par ailleurs, lors des orages solaires, les bouffées de particules très énergétiques perturbent le sillage magnétique de la magnétosphère. « Un processus de reconnexion des lignes ouvertes du champ magnétique du côté nuit se forme soudainement », explique le Dr Gerry Atkinson, spécialiste des plasmas spatiaux et directeur des Programmes scientifiques à l’Agence Spatiale Canadienne de 1990 à 1998. Lors de la reconnexion, les lignes de champ magnétique se referment, projetant des particules à hautes latitudes terrestres : les aurores boréales apparaissent. Les régions polaires sud sont évidemment concernées par le phénomène, ce sont les aurores australes. Le même type d’événement a été observé sur toutes les planètes comportant un champ magnétique, comme Jupiter et Saturne.
Météorologie spatiale De nombreuses missions spatiales sont dédiées à l’étude de la magnétosphère, dont la mission européenne Cluster lancée en 2000. Elle comporte quatre satellites volant en essaim, dont l’orbite est dans un plan perpendiculaire à l’écliptique(1). La mission américaine THEMIS, [Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms] du nom de la déesse grecque de la Justice, est formée d’une constellation de cinq satellites. Ces deux missions ont des objectifs complémentaires. « Si la reconnexion magnétique au niveau de la magnétosphère est une condition à l’apparition des aurores, les scientifiques ne savent pas encore l’endroit exact et le processus physique de déclenchement de la reconnexion », précise Gerry Atkinson. « Le phénomène de reconnexion magnétique est universel. Il est à l’œuvre dans l’atmosphère solaire, dans la physique de la fusion contrôlée. Avec l’étude de la magnétosphère, les physiciens ont l’opportunité de faire des mesures in situ, impossibles près du Soleil et difficiles en laboratoire », ajoute Gerry Atkinson. La magnétosphère est un laboratoire naturel où les connaissances acquises peuvent être exploitées ensuite dans les laboratoires. Au demeurant, « une nouvelle science se développe : c’est la météorologie spatiale », explique encore Gerry Atkinson. Cela consiste à comprendre et à prédire les éruptions solaires et l’état de l’environnement ionisé de la Terre, c’est à dire de l’ionosphère et de la magnétosphère, sous l’action de l’activité solaire. C’est un objectif important pour l’amélioration de la construction des satellites et de leurs appareillages qui subissent les effets néfastes des éruptions solaires et de leurs radiations intenses. Ces dernières peuvent paralyser la communication avec les satellites et, par conséquent, mettre en danger la sécurité des spationautes.
Si vous êtes à la campagne par une nuit d’hiver sans nuage, jetez un coup d’œil vers le Nord. Vous aurez peut être la chance de profiter d’un spectacle exceptionnel.
(1) Il s’agit de l’intersection de la sphère céleste avec le plan écliptique, qui est le plan géométrique qui contient l’orbite de la Terre autour du Soleil.
Daniel Hubert