Les aurores boréales ont occupé les discussions ce week-end. Et à raison, le spectacle proposé était magnifique ! Mais quels phénomènes se cachent derrière ces merveilles de la nature ? C’est ce que nous allons explorer aujourd’hui.
Vous avez été nombreuses et nombreux à nous poser des questions sur les aurores boréales du week-end. Bien que cela ne représente pas un danger météorologique, et ne soit donc pas dans le cœur de travail de MétéoSuisse, prenons un peu de temps aujourd’hui pour expliquer ce phénomène.
Le Soleil est un astre bien moins calme qu’il n’y parait. Sa surface est constamment sujette à des remous et rejets de matières. De récentes images de l’Agence spatial européenne prisent par la sonde Solar Orbiter ont d’ailleurs permis d’avoir un regard inédit sur ces phénomènes. Vous pouvez visionner la vidéo ci-dessous.
Les éruptions solaires, telles que celles qui nous ont concernées ces derniers jours, sont causées par des distorsions du champ magnétique solaire à sa surface. Elles émettent des ondes électromagnétiques sous forme de rayon-X, et bien souvent, elles s’accompagnent d’un puissant jet de matière issue de la couronne du soleil. Ces jets de matière, appelés vents solaires, sont principalement composés d’électrons et de ions, c’est-à-dire d’atomes ayant eu un ou plusieurs électrons arrachés et possédant par conséquent une charge électrique positive. Ce jet de particule s’éloigne ensuite du soleil à une vitesse de plusieurs centaines de kilomètres par seconde et met donc 1 ou 2 jours pour atteindre la terre. La lumière met elle seulement 8 minutes. C’est-à-dire qu’entre le moment où nous observons l’éruption solaire à l’aide de rayons-x et le moment où le vent solaire nous atteint (si la terre est dans la bonne direction bien entendu), nous avons une marge de manœuvre. En plus des aurores boréales, les éruptions solaires peuvent causer divers dégâts. Vous trouverez plus de détails dans notre blog de vendredi à ce sujet.
Le deuxième ingrédient nécessaire à la création d'aurores est la présence d'un champ magnétique. Les particules arrivant étant chargées électriquement, elles vont interagir avec le champ magnétique de la Terre. Celui-ci va protéger les régions équatoriales en déviant le flux de matière vers les pôles. Autour des pôles, le champ magnétique rentre dans la Terre. Le flux de particules va donc être redirigé vers la surface et traverser l’atmosphère dans une zone que l’on va appeler « l’ovale aurorale », comme illustré ci-dessous.
Le dernier ingrédient est la présence d’une atmosphère. Sans atmosphère, les particules iraient simplement au sol. Dans le cas d’une planète avec une atmosphère, ces particules du vent solaire vont interagir avec les particules de l’atmosphère et leur transférer de l’énergie (pour simplifier, on peut dire se collisionner, mais les interactions physiques sous-jacentes sont plus complexes). Nous avons donc des particules de l’atmosphère qui, après avoir reçu de l’énergie, se trouvent dans un état dit « excité ». Naturellement, les atomes vont tendre à se désexciter en se débarrassant de l’énergie en surplus sous forme de lumière : le ciel va donc s’illuminer !
Pour comprendre plus en détail, et en particulier les différentes couleurs observées, une explication un peu plus complexe faisant appel à des notions de physique quantique est nécessaire. Rassurez-vous, on y va ensemble, pas-à-pas.
Les atomes sont composés d’un noyau, avec des électrons que l’on peut voir comme orbitant autour. L’excitation se traduit par le saut d’un électron vers une orbite plus haute. Or, seulement certaines orbites sont possibles. Il faut donc une quantité d’énergie précise pour faire sauter un électron d’une orbite à l’autre, et lorsque l’électron se désexcite, il peut seulement le faire vers certaines orbites bien précise, relâchant la quantité d’énergie correspondante. Les échanges d’énergie se font donc par paquets (ou quanta) bien précis, et pas selon n’importe quelle valeur. Voilà, c’est la base de la physique quantique telle que décrite par Max Planck en 1900 et mise en évidence par Albert Einstein en 1905 au travers de l’effet photoélectrique. Pas si compliqué ! Les conséquences de ce constat sont par contre bien plus complexes, mais heureusement, ce n’est pas le sujet du jour.
L’important pour nous est de comprendre que les particules de l’atmosphère vont émettre, en se désexcitant, de la lumière à des niveaux bien précis d’énergie dépendant de la structure des atomes ou molécules en question. Or, quand on parle de lumière, le niveau d’énergie représente la fréquence de l’onde électromagnétique, qui n’est rien d’autre que la couleur !
La haute atmosphère est composée principalement d’oxygène à basse densité. Dans cette configuration, la lumière émise sera rouge-orange. À plus basse altitude (en dessous d’environ 200 km), les conditions de densité font que l’oxygène émettra principalement du vert. Encore plus bas, ce sont les molécules d’azote qui dominent la composition atmosphérique et qui émettent du violet au-dessus de 100 km, puis du bleu au-dessous. Les aurores seront généralement un mélange de ces différentes couleurs, avec une tendance dominante pour le vert. Les couleurs seront différentes en fonction de l’intensité du vent solaire, de l’énergie des particules le composant, et de la région de l’atmosphère la plus touchée.
Finalement, les aurores boréales semblent prendre différentes formes. Il s’avère cependant que la plus grande partie de la variation est simplement expliquée par une question de perspective : selon où se situe le phénomène par rapport à l’observateur, la forme sera très différente !
En résumé, pour former une aurore boréale, il faut une éruption solaire, un champ magnétique, et une atmosphère. La Terre n’est pas la seule planète du système solaire à avoir un champ magnétique et une atmosphère, la preuve ci-dessous avec une image d'une aurore boréale sur Jupiter.
La tempête solaire de ce week-end est la plus forte à atteindre la terre depuis 2003, elle était donc tout à fait exceptionnelle. Sachant que le cycle solaire atteindra son pic d’ici la fin de l’année, d’autres fortes tempêtes sont à prévoir. Il n'est par contre pas possible de savoir si elles seront dirigées vers la Terre.
On n’en a jamais assez. Pour le plaisir des yeux, voici quelques vidéos supplémentaires des aurores boréales du week-end, en plus des photos de notre blog de samedi.
Vous avez ci-dessous des animations des aurores boréales de la nuit de vendredi à samedi vues depuis le Säntis, Ravoire en Valais, le Salève et depuis Cointrin. Et pour terminer, une aurore boréale vue depuis la station spatial internationale en septembre 2017 !
Animation réalisée avec la webcam Skaping du Salève (https://www.skaping.com/telepherique-du-saleve).