Monde de la physique : Comment se forment les aurores boréales ?

Rideaux ondulants, arches flottantes et bandes vacillantes de lumière verte, rouge et bleue : ces luminaires colorés, ainsi que d’autres luminaires colorés dans le ciel nocturne, sont dus à une interaction complexe entre le champ magnétique terrestre et les particules chargées électriquement du Soleil.

De nombreux voyagistes proposent des croisières dans les régions du nord et du sud et en font souvent la publicité avec des photos impressionnantes d’aurores boréales. Bien entendu, cela suscite des attentes élevées, qui sont souvent malheureusement déçues. L’œil humain ne peut pas suivre la sensibilité lumineuse d’un appareil photo électronique. Et d’ailleurs, comme dit le proverbe, tous les chats sont gris la nuit : dans des conditions de faible luminosité, on voit des nuances de gris plutôt que des couleurs.

Du spectacle coloré, il ne reste souvent qu’un léger reflet gris, difficilement distinguable des nuages. Seul le mouvement particulier de la lueur dans le ciel révèle son véritable caractère. Les aurores boréales lumineuses, dans lesquelles les teintes vertes, rouges et bleues sont faciles à voir, sont plutôt une exception. Les phénomènes lumineux – qu’ils soient forts ou faibles – sont provoqués par des particules chargées électriquement venues de l’espace. Ce sont principalement des électrons et des protons de notre soleil qui pénètrent dans l’atmosphère terrestre, entrent en collision avec des molécules de gaz et les font briller. Voilà pour l’explication simple. En fait, l’ensemble du processus est considérablement plus complexe.

Bouclier magnétique

Le champ magnétique terrestre dévie les particules tombant de l’espace et les empêche ainsi de pénétrer directement dans l’atmosphère. Dans le même temps, le flux constant de particules provenant du Soleil déforme le champ magnétique terrestre : il est comprimé du côté jour, tandis qu’une queue allongée se forme du côté nuit. Cette interaction complexe entre le vent solaire et le champ magnétique terrestre n’est pas encore comprise en détail. Ce qui est clair, cependant, c’est que le bouclier protecteur magnétique de notre planète – la magnétosphère – s’affaiblit à certains endroits. Près des pôles magnétiques, par exemple, là où les lignes de champ émergent de l’intérieur de la Terre et se courbent vers le côté jour ou nuit, les particules peuvent circuler presque sans entrave. Cela provoque une faible lueur dans la région de la calotte glaciaire polaire, appelée lueur polaire.

De plus, la magnétosphère n’est pas une structure statique, mais est constamment en mouvement – cela est particulièrement vrai pour la queue « flottante » qui s’étend sur des millions de kilomètres dans l’espace. Grâce à divers processus, les particules du vent solaire peuvent également pénétrer dans la coque de protection magnétique. Ils s’accumulent dans une région remplie d’électrons et d’atomes chargés électriquement appelée couche de plasma. De là, les particules du vent solaire – principalement des électrons – sont accélérées le long des lignes de champ magnétique, circulent en spirale du côté nuit vers la Terre et atteignent finalement l’atmosphère.

Atomes et molécules brillants

Une fois arrivées dans l’atmosphère de notre planète, les particules à haute énergie frappent les molécules et les atomes qui y sont présents. Lors des collisions, les électrons du vent solaire peuvent désormais transférer de l’énergie aux particules de gaz présentes dans l’atmosphère. Les molécules et les atomes libèrent ensuite à nouveau cette énergie supplémentaire après un court laps de temps, sous forme de lumière. Par exemple, la couleur dominante des aurores, une nuance de vert d’une longueur d’onde de 557,7 nanomètres, provient d’atomes d’oxygène situés à une centaine de kilomètres d’altitude. Les électrons de très haute énergie peuvent pénétrer un peu plus profondément dans l’atmosphère et exciter les molécules d’azote, qui brillent alors de diverses couleurs bleu-violet.

La lumière rouge d’une longueur d’onde de 630 nanomètres peut être observée plus rarement. Il se forme lorsque des particules de vent solaire entrent en collision avec des atomes d’oxygène à une altitude d’environ trois cents kilomètres. Le flux de particules entrant dans l’atmosphère terrestre varie à la fois dans le temps et dans l’espace, ce qui explique les différentes formes et motifs des aurores. Les phénomènes lumineux peuvent être observés presque toutes les nuits claires – à condition que vous soyez dans la zone de l’ovale auroral. Parce que le spectacle ne se déroule pas directement au-dessus des pôles.

La raison en est que les lignes de champ qui pénètrent dans la couche de plasma ne proviennent pas directement des pôles magnétiques, mais de latitudes géomagnétiques comprises entre 70 et 80 degrés. En raison de la rotation de la Terre, la zone en forme d’anneau autour des pôles est comprimée en un ovale. Dans l’hémisphère Nord, cet ovale auroral s’étend sur l’Alaska, le Canada, le Groenland, l’Islande, la Norvège, la Finlande et la Sibérie. L’ovale auroral austral, quant à lui, se situe presque exclusivement sur le continent Antarctique. Mais parfois, les aurores boréales peuvent aussi être vues bien au-delà de ces régions : des aurores boréales ont même été signalées en Méditerranée et dans les États du sud des États-Unis. Et les aurores boréales sont parfois visibles depuis l’Allemagne.

Tempête géomagnétique

Le vent solaire se transforme parfois en tempête et secoue vigoureusement la magnétosphère. En conséquence, les lignes de champ magnétique dans la queue se courbent plus que d’habitude et l’ovale de l’aurore peut s’étendre vers l’équateur. La cause d’une telle « tempête géomagnétique » est due à des événements explosifs sur le Soleil : de violentes éruptions projettent d’énormes masses de gaz dans l’espace. Lorsque les particules chargées électriquement d’une telle éjection de masse coronale frappent la Terre – en fonction de leur vitesse, il leur faut entre 18 et 36 heures pour parcourir le parcours de 150 millions de kilomètres – des aurores particulièrement intenses se produisent, qui peuvent être visibles dans le cas des aurores boréales. loin au sud.

L’activité du soleil fluctue selon un cycle d’environ onze ans. Les astronomes s’attendent au prochain maximum pour 2025. Dans les années à venir, les éruptions solaires et les éjections de matière seront plus fréquentes – et donc aussi les aurores boréales, que l’on peut observer depuis l’Allemagne. Cette perspective peut être encourageante. Mais les tempêtes géomagnétiques représentent également un danger important pour notre civilisation hautement technologique. La tempête solaire la plus puissante de l’histoire a frappé la Terre le 1er septembre 1859. A cette époque, on pouvait voir des aurores boréales en Italie, à Cuba et à Hawaï – et les réseaux télégraphiques encore neufs s’effondraient partout dans le monde.

Météo spatiale

Les experts estiment qu’une tempête comparable aujourd’hui causerait probablement des dégâts s’élevant à plusieurs milliards d’euros. Par exemple, nos réseaux de communication et de navigation seraient touchés. Les satellites sont essentiels à cet égard, car leurs circuits électriques ne peuvent résister indéfiniment ni aux particules à haute énergie provenant de l’espace ni aux fluctuations rapides et intenses du champ magnétique terrestre. Des pannes à grande échelle du réseau électrique sont également possibles. La force et l’orientation du champ magnétique terrestre changent rapidement lors d’une tempête géomagnétique, ce qui peut induire des tensions élevées dans les lignes électriques et détruire les transformateurs. De plus, de puissants flux de particules provenant du soleil réchauffent l’atmosphère extérieure de la Terre, provoquant son expansion. Résultat : même à quelques centaines de kilomètres d’altitude, les satellites sont soudainement ralentis par la friction de l’air, voire même amenés à s’écraser. La société SpaceX a ainsi récemment perdu quarante satellites Starlink.

Aussi belles que soient les aurores boréales, elles ne sont qu’un phénomène périphérique de l’interaction complexe entre le vent solaire et la Terre. Étant donné que la « météo spatiale » peut avoir des conséquences menaçantes pour notre société moderne, les scientifiques du monde entier travaillent sur une prévision correspondante. Ils souhaitent notamment prédire le plus tôt possible les éjections massives de masse du soleil. À ce jour, le délai d’avertissement préalable des tempêtes géomagnétiques est d’un jour et demi maximum. L’Agence spatiale européenne ESA prévoit de lancer la mission Vigil en 2027, ce qui portera cette période à plusieurs jours. On espère que cela suffira à protéger au moins une partie de l’infrastructure technique des pires effets.