Aurores boréales : ce qu’elles nous apprennent sur le climat et la météo de l’espace

ESPACE Découvrez, chaque jour, une analyse de notre partenaire The Conversation. Aujourd’hui, un universitaire nous explique ce que l’observation des aurores boréales nous enseigne

20 Minutes avec The Conversation

— 

Une aurore polaire, dite « boréale »
Une aurore polaire, dite « boréale » — © Egil Sjøholt / Pexels
  • Étudier les aurores polaires permet de mieux comprendre les perturbations sur nos systèmes technologiques, selon une étude publiée par notre partenaire The Conversation.
  • La Terre n’est pas la seule planète à être le siège d’aurores polaires puisqu’il s’en produit aussi sur Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.
  • L’analyse de ce phénomène a été menée par Mathieu Barthelemy, professeur, directeur du Centre spatial universitaire de l’université Grenoble Alpes.

Que l’on soit chercheur ou non, la première réponse qui vient à l’esprit est qu’on étudie les aurores boréales « parce que c’est beau ». Si cela représente souvent une motivation profonde et première pour les chercheurs travaillant sur le sujet, il y a d’autres raisons qui nous amènent à observer les aurores qui se produisent sur Terre… ou sur d’autres planètes.

Car la Terre n’est pas la seule planète à être le siège d’aurores polaires. Comme nous allons le voir, pour produire des aurores polaires, il faut une atmosphère, un champ magnétique et du vent solaire : des conditions réunies sur Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune où des aurores ont été détectées. Sur Mercure, dont l’atmosphère est très ténue, on détecte des émissions lumineuses s’apparentant à des aurores. Sur Mars, où le champ magnétique est « gelé » dans la croûte martienne (la trace d’un champ magnétique passé), des émissions lumineuses dans des zones de champ magnétique fort ont été observées par une mission spatiale en 2005. Vénus ne présente pas de champ magnétique, mais il existe des émissions diffuses dans la haute atmosphère – s’agit-il d’aurores ? Le débat n’est pas tranché.

Une aurore vue depuis Skibotn, en Norvège, en mars 2017 © Thierry Sequies (CSUG/UGA)

Dans tous les cas, ces différentes émissions lumineuses sont riches d’informations sur les atmosphères des planètes qu’elles illuminent, par exemple sur leur composition chimique ou leur dynamique, mais aussi sur les flux de particules qui viennent du soleil.

Les aurores sont liées à l’activité du Soleil

Sur Terre, on parle souvent dans le langage courant d’aurores boréales, ce qui ne désigne que celles qui se produisent au Nord, et on oublie donc les aurores australes de l’hémisphère sud – le terme générique est en fait « aurores polaires ».

Les aurores polaires sont provoquées par les particules chargées provenant du Soleil, un flux appelé « vent solaire ». Ces particules, essentiellement des électrons et des protons, sont « captées » par le champ magnétique de la Terre et plongent dans l’atmosphère aux environs des pôles magnétiques.

Aurore boréale au-dessus du glacier de Snæfellsnes en Islande © Diana Robinson/Flickr CC BY-NC-SA

Elles se concentrent le long d’ovales centrés autour du pôle magnétique, à environ 20° de latitude, et entrent en collision avec le gaz atmosphérique, ce qui provoque une « excitation » des atomes et molécules de ce gaz. L’émission lumineuse que l’on voit dans une aurore polaire vient de la relaxation du gaz atmosphérique après cette excitation, que l’on appelle «  fluorescence ».

À quelle altitude sont ces aurores multicolores ?

Lorsqu’on observe une aurore polaire depuis le sol, il est difficile de savoir à quelle altitude elle se trouve – tout comme il est difficile de connaître l’altitude des nuages.

C’est un physicien norvégien, Kristian Birkeland, qui, au début du XXe siècle, en plus de comprendre le phénomène et ses liens avec le Soleil, estima l’altitude de ces émissions – après une première estimation très imprécise par Lord Henry Cavendish au XVIIIe siècle.

Carl Størmer et Bernt Johannes Birkeland, son assistant, photographient une aurore boréale à Alta (Norvège) en 1910. Anders Beer Wilse (1865 – 1949) © Wikipédia CC BY-NC-SA

Il fit d’abord des expériences en montagne pour voir s’il se trouvait dans l’aurore, ce qui n’était pas le cas. Il mesurera ensuite l’angle sous lequel on voit une aurore depuis plusieurs points, par « triangulation » et, en collaboration avec Carl Størmer, un autre physicien norvégien, estima l’altitude à environ 100 km.

En plus du vert, on peut aussi observer du violet et du rouge. Ces couleurs dépendent essentiellement du gaz qui est excité et se relaxe : le vert et le rouge sont dus à l’oxygène alors que le violet est dû à un ion de l’azote (N2⁺). Le violet est émis autour de 90 kilomètres, le vert vers 120 kilomètres et le rouge vers 220 kilomètres. D’autres émissions existent notamment dans l’ultraviolet, mais elles ne sont pas visibles depuis la Terre, car filtrée par l’atmosphère.

Que nous apprennent les aurores polaires aujourd’hui ?

Étudier les aurores polaires permet de mieux comprendre la haute atmosphère, mais aussi les perturbations que le vent solaire provoque en entrant dans l’atmosphère sur nos systèmes technologiques : communications radio ou filaires, réseaux électriques, systèmes de positionnement, aviation, satellites. En mars 1989 au Québec, une tempête solaire provoqua une coupure d’électricité de plusieurs heures et une autre provoqua de nombreuses perturbations sur les satellites en 2003.

Les aurores sont un moyen d’obtenir des informations sur la façon dont l’énergie de ces particules se dépose dans l’atmosphère.

Comment utiliser les aurores polaires pour étudier le flux de particules provenant du Soleil ?

Les chercheurs utilisent les aurores pour observer le vent solaire, à distance et sur le long terme.

Tout comme il est impossible de faire de la météorologie en ne mesurant les températures ou les vents qu’une fois par an pendant quelques minutes, pour prévoir les aurores polaires et les perturbations électromagnétiques liées au vent solaire, des données continues et sur le long terme sont indispensables – une discipline que l’on appelle « météorologie de l’espace ».

Cela reste complexe puisque l’été est impropre à l’observation des aurores polaires (il fait peu ou pas nuit dans les régions polaires, en été) et les aurores peuvent être masquées par les nuages. Il est donc difficile d’assurer une surveillance continue des aurores quand on reste les pieds sur Terre.

Il est malheureusement aussi très difficile de faire des mesures in situ des aurores polaires sur du long terme, car installer des instruments qui stationnent à 100 ou 200 km d’altitude s’avère complexe : les ballons stratosphériques ne montent que jusqu’à 50 kilomètres d’altitude, les satellites peuvent difficilement rester longtemps en orbite en dessous de 300 kilomètres, et une fusée qui traverserait ces régions y résiderait pour un temps très court seulement. Les instruments embarqués à bord d’avion souffrent de temps d’observation très courts, et le LIDAR est en développement pour ces observations, mais n’atteint pas encore les couches au-delà de 100 kilomètres.

Une solution consiste à placer l’instrument d’observation au-dessus des aurores. Avec un satellite en orbite à 500 km, on peut faire de 15 à 16 orbites par jour, sans l’obstacle des nuages, et donc d’avoir un suivi quasi continu de ces émissions lumineuses et observer des longueurs d’onde qui sont filtrées par l’atmosphère (dans l’ultraviolet par exemple). Enfin, il est possible d’observer les aurores polaires depuis l’espace quand il fait jour, en « visant au limbe », c’est-à-dire sans que la ligne de visée n’intercepte le globe terrestre, en incidence rasante.

L’observation par satellite rencontre bien sûr d’autres défis : les conditions spatiales sont complexes à maîtriser (vide, températures extrêmes, radiations…) et le satellite est en mouvement rapide, ce qui complique la prise d’image (environ 7 kilomètres par seconde pour une orbite à 500 kilomètres).

Observer les aurores polaires depuis l’espace

De nombreuses expériences d’observation des aurores polaires ont donc été envoyées dans l’espace pour détecter des émissions ultraviolettes ou pour s’affranchir des nuages et du jour, par exemple le satellite REIMEI de l’agence spatiale japonaise.

Notre équipe grenobloise a lancé le projet en 2017 de construire un nanosatellite, pesant un peu plus de 2 kg, équipé d’un imageur spécialement construit pour l’observation de ces aurores dans les longueurs d’onde visibles. Après de nombreuses péripéties et de belles collaborations notamment avec l’Université de Moscou et la communauté radio amateur, le satellite AMICal Sat a décollé depuis la base de Kourou le 3 septembre 2020 à bord de la fusée Vega. Nous avons reçu sa première image d’aurore début novembre 2020, montrant qu’il est possible d’observer ces aurores depuis l’espace à l’aide d’un tout petit satellite construit par des étudiants.

À partir des images produites par l’appareil photographique à bord, il sera possible de déterminer l’intensité des aurores dans les différentes couleurs captées par les filtres rouges, bleus et verts du détecteur. En parallèle, nous avons conçu des simulations permettant de calculer ces émissions en fonction des flux et de l’énergie des particules entrant dans l’atmosphère et de leurs énergies. En « inversant » ces simulations, nous reconstituerons ces paramètres aux moments où les photos ont été prises.

Dans un premier temps, nous nous focaliserons essentiellement sur les électrons ayant des énergies assez basses (inférieures à 30 kiloélectronvolts). Ce sont ceux qui, via les courants qu’ils créent, peuvent perturber les réseaux électriques au sol et poser de gros problèmes aux satellites, car ils ont tendance à s’accumuler sur la surface des satellites et à provoquer des décharges en leur sein qui peuvent endommager les composants, en particulier l’électronique, et donc entraîner leur perte de contrôle.

Cette analyse a été rédigée par Mathieu Barthelemy, professeur, directeur du Centre spatial universitaire de l’université Grenoble Alpes.
L’article original a été publié sur le site de 
The Conversation.