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La belle aurore !

Document D.Fritts/PFRR.

Une emprise magnétique (I)

Si vous avez l'occasion de séjourner près du cercle Arctique, en Finlande, au Canada ou en Alaska pendant les phases de paroxysme de l'activité solaire, vous découvrirez l'un des spectacles les plus fabuleux de la nature : les aurores polaires.

A l’ouest du méridien, sur plusieurs dizaines de degrés, le ciel étoilé s’embrase, des lueurs vives, évanescentes et colorées se mettent à onduler dans le ciel, telles les draperies de dame Nature. Le spectacle enchanteur peut durer plusieurs dizaines de minutes et se répéter plusieurs jours de suite.

Mais qu'est-ce exactement une aurore ? Pourquoi apparaît-elle ? Comment se forme-t-elle ? Quels sortes de renseignements peut-elle nous apporter ? Nous allons répondre à toutes ces questions et bien d'autres dans les pages qui suivent. Pour cela, nous devons entrer dans l'univers du magnétisme.

Passer la théorie et afficher de suite de merveilleuses images !

Remerciements

Cette étude n'aurait pu voir le jour sans la collaboration de plusieurs chercheurs qui vont nous aider à comprendre la complexité de ce phénomène et à interpréter les nombreux graphiques illustrant ces pages, pour citer :

- Steve Petrinec, directeur du Space Physics Laboratory à Boulder (USA) 

- Larry Combs, du Space Environment Center de la NOAA

- Bernhard Fleck, scientifique responsable du Project SOHO à la NASA/GSFC

- Tamitha L. Mulligan, de l'Institut IGPP de l'Université de Californie à Los Angeles.

Rappel historique

L'observation des aurores est aussi vieille que le monde. Leurs consignes dans des annales et des chroniques historiques remontent à environ 3000 ans, ce qui en fait les premières observations systématiques qui, sans pour autant être de qualité scientifique, sont parfois très précises, rendant ces descriptions antiques tout à fait uniques et exceptionnelles.

En Chine

Historiquement, les aurores ont déjà été recensées au Xe siècle avant notre ère dans des annales chinoises comme de simple lueurs colorées dans le ciel.

Dans un article publié dans la revue "Advances in Space Research" en 2022, Marinus A. van der Sluis, historien des sciences à l'Université de Pennsylvanie et Hisahi Hayakawa, spécialiste de la physique solaire et de la météo spatiale à l'Institut de l'Environnement Géospatial de l'Université de Nagoya et que l'on connaît déjà pour son étude sur les superéruptions solaires historiques, ont apporté la preuve que les aurores furent déjà mentionnées dans de très ancienness annales chinoises.

Les "Annales de Bambou" (Zhúshū Jìnián) relatent de l'histoire de la Chine entre ~2400 et 299 avant notre ère sur des lattes de bambous et furent enterrées avec le roi Xiang de Wei (mort en 296 avant notre ère). Elles furent redécouvertes en 281 de notre ère, durant la dynastie des Jin de l'Ouest, en même temps que le site paléographique de Jizhong. A l'époque le bambou était le principal support de l'écriture des Royaumes combattants (les États en guerre).

Ces annales textuelles décrivent d'importants évènements historiques des cinq empereurs de l'époque légendaire jusqu'au roi Wei Xiang (ou Wei Ai). Les "Annales de Bambou" originales furent perdue sous la dynastie Song et furent reconstruites au début du XXe siècle.

Selon ces annales, dans les dernières années du roi Zhao de Zhou, il y avait "une lumière à cinq couleurs pénétrée de violet et microscopique" dans le ciel. Le texte mentionne "Ziwei" qui fait ici référence à l'étoile polaire. Le texte suggère qu'une aurore boréale multicolore fut observée dans la partie nord du ciel durant la nuit. C'est la plus ancienne trace historique des aurores.

Un fragment des "Annales de Bambou". Il s'agit de la copie (v. 874, f. 4b; MS Nu-3) transcrite dans l'encyclopédie chinoise "Tàipíng Yùlǎn" en plus de 1000 volumes rédigée durant la dynastie Song (977-983). Document de la National Diet Library du Japon.

Les chercheurs ont localisé le site d'observation très bas en latitude, aux alentours de Hàojīng (34°14'N, 108°46'E). L'aurore serait apparue vers 977 ou 957 avant notre ère. Son extension vers l'équateur est ≤ 39° en latitude magnétique et la limite équatoriale de l'ovale auroral est ≤ 45.5° en latitude invariante. Vu son extension, les chercheurs en déduisent empiriquement que cette aurore fut susceptible de provoquer une tempête géomagnétique extrême.

Les chercheurs estiment qu'au milieu du Xe siècle avant notre ère, le pôle magnétique nord de la Terre s'était déplacé d'environ 15° vers la Chine. Si une tempête géomagnétique à grande échelle se produisit à cette époque, il était possible de l'observer dans les plaines centrales de Chine (comme de nos jours on peut encore en observer jusqu'aux latitudes moyennes). On y reviendra.

Comparée aux données climatiques basées sur des proxys de la variabilité solaire à long terme, selon les chercheurs il s'agit également de la seule référence météorologique spatiale avant le grand minimum solaire néo-assyrien ou Minimum homérique qui eut lieu entre ~810 et ~720 avant notre ère.

Plus récemment, selon un article publié dans la revue "Solar Physics" en 2019 (voir aussi cette présentation) par l'équipe d'Hisashi Hayakawa précitée, des annales chinoises relatent l'obervation d'une aurore dans le centre de la Chine en 776 de notre ère.

Les annales du "Xin Tangshu" (La Nouvelle Histoire de la dynastie Tang) compilées du Ve au XIe siècle de notre ère mentionnent quelques phénomènes astronomiques et météorologiques (bien que les annales du "Jin Tangshu" (L'Ancienne Histoire de la dynastie Tang) soient plus précises sur la période 1043-1060, cf. Ctest.org).

Les annales du "Xin Tangshu" (v.32, p.836) font état de "vapeur blanche" observées dans le district de Chang'an (34°N, 108°E) et ailleurs : "Dans la dixième année du calendrier[règne de] Dali... le douzième mois [lunaire], [jour] Bingzi [soit le 12 janvier 776 de notre ère], la Lune (rose) se lève dans la direction de l'est, et il y a plus de dix traînées (dao) de vapeur blanche (naiqi) dessus, comme Pilian [la soie non filée], pénétrant les [constellations] Wuche [le Cocher], Bi [le Taureau], Zuixi [dans Orion], Shen [dans Orion], Dongjing [les Gémeaux], Yugui [le Cancer], Liu [l'Hydre], Xuanyuan [le Lion], et se dispersa au milieu de la nuit".

Il pourrait s'agir d'une aurore boréale mais R. et D. Neuhäuser ont suggéré qu'il s'agirait plutôt d'un halo lunaire vu son manque de couleur (cf. R. et D. Neuhäuser, 2015). Toutefois, Hayakawa et ses collègues rappellent qu'il est possible qu'une aurore paraisse blanchâtre si sa brillance est trop faible pour sensibiliser les cellules en cônes de la rétine responsables de la couleur.

Il y a un argument en faveur d'une aurore. Pour mieux le comprendre, il faut simuler l'aspect du ciel de l'époque. Comme illustré ci-dessous, les constellations reprises dans les annales couvrent un champ qui s'étend sur plus de 80° entre Orion et le Lion (et il y a ~80° entre le Taureau et le Lion, ~70° entre Orion et le Lion ou entre le Cocher et le Lion).

Simulation du ciel correspondant à l'étendue du phénomène mentionné dans les annales du "Xin Tangshu" tel qu'il aurait pu être observé en Chine (50°N, 120°E) le 12 janvier 776 à 12h04 TU. La Lune est levée depuis plus de deux heures et est 10° au-dessus de l'horizon. A gauche, s'il s'agit d'une aurore pâle et d'apparence blanchâtre. A droite, s'il s'agit d'un grand halo lunaire de 46° mais qui est décalé vers l'est par rapport aux constellations mentionnées dans les annales et significativement moins d'étoiles sont visibles. Voir le texte pour les explications. Documents T.Lombry.

Un grand halo lunaire de 46° (de rayon) pourrait correspondre puisque ce soir là, la Lune était éclairée à 96%. Mais le halo est décalé vers l'est et n'incorpore pas les constellations du Cocher, du Taureau et d'Orion comme le mentionnent les annales. De plus, s'il s'agissait d'un halo lunaire, cela signifie qu'il y avait des cirrus et donc que les étoiles faibles n'étaient pas visibles (tout dépend de l'épaisseur nuageuse mais on peut parfois enregistrer les étoiles par photo). Or les observateurs chinois avaient une très bonne expérience de l'observation car ils mentionnent des étoiles de magnitude visuelle de +3.4 ou +3.9 dans Yugui (le Cancer). Comme me répondit Hayakawa en voyant ces simulations, "les conséquences immédiates du lever de la Lune montrent bien que le halo est disqualifié !"

Cet argument ajouté à la liste des constellations contenues dans la lueur suggèrent qu'il s'agissait bien d'une aurore blanchâtre. Ce serait la première de l'histoire consignée dans des annales.

Il existe des exemples documentés dont la description de l'amateur anglais John .R. Capron, 1883 (cf. J.J. Love, 2018) qui mentionne une aurore dont "le spectre correspond à la principale raie citron aurorale, avec un pâle continuum verdâtre-blanche s'étendant de D à F".

Notons toutefois que ce phénomène lumineux est apparu plus d'un an et demi après la superéruption solaire qui, selon les dernières études des traces de C-14 relevées dans les cernes des arbres serait survenue durant l'été 774 (cf. J.Uusitalo et al., 2018; U.Büntgen et al., 2018). En théorie, un tel évènement produisit des aurores très vives et colorées dans les jours et les semaines qui suivirent (cf. les superéruptions solaires historiques).

Au Moyen-Orient

Plusieurs enregistrements de possibles aurores figurent sur des tablettes cunéiformes gravées par des astronomes assyriens vers 679-655 avant notre ère.

Bien que plus spéculatif, certains chercheurs ont également associé la "vision d'Ézéchiel" datée de 594 ou 593 avant notre ère, à l'apparition d'une aurore au Moyen-Orient, mais la source n'est pas entièrement fiable. Un autre enregistrement possible d'aurore est daté de 567 avant notre ère dans le journal astronomique du roi Nabuchodonosor II de Babylone.

Chez les Inuits

Selon les légendes Inuits qui peuvent revendiquer 4000 ans d'histoire humaines en Actique, les aurores sont vivantes, elles émettent des sons et chuchotent à vos oreilles. Leurs couleurs représentent l'état de santé du ciel et de la nature. La couleur verte représente la croissance, la végétation. Le rouge représente la puissance et la force tandis que le jaune représente la clarté, la lumière qui envahit la terre arctique durant l'été. Ils ont également une légende qui rappelle aux enfants (et aux autres) de respecter la nature sinon les aurores rouges leur couperont la tête.

Chez les Vikings

Pour les Vikings (VIII-XIe.s.), les aurores étaient le reflet de la lumière du Soleil sur la glace.

A l'époque moderne

C'est le mathématicien, philosophe, théologien et astronome français Pierre Gassendi qui leur attribua le nom d'aurore en 1621.

Faisons à présent un saut conceptuel, car pour comprendre la nature des aurores il faut se pencher sur le champ magnétique de la Terre. 

Pour expliquer l'orientation de l'aiguille du compas de navigation, au XVIe siècle William Gilbert suggéra que la Terre agissait tel un aimant et que l'aiguille du compas s'alignait le long des lignes de force du champ magnétique terrestre qui lui donne cette inclinaison de 11°.6 vis-à-vis du pôle géographique. En fait on sait aujourd'hui que la Terre fait office de dipole magnétique comme nous le verrons un peu plus loin.

A gauche, les aurores boréales du 6 mars 1716 telles qu'elles furent observées au-dessus d'une bonne partie de l'Europe. Document Acta Societatis Hafniensis, 1745. A droite, ce document "scientifique" de Linqvist laissait à penser qu'avec de la lumière, un prisme et... un verre d'Aquavit on pouvait simuler des aurores. Document Proceedings of the Royal Swedish Academy of Sciences, 1744.

En 1702, aidé de son assistant Olof Hiorter, Anders Celsius découvrit qu'il existait une relation entre les aurores et la déclinaison d'une aiguille magnétisée, les rayons lumineux des aurores boréales suivant les lignes de force du champ géomagnétique. C'était la première fois qu'un travail scientifique mettait en évidence la nature magnétique des aurores, confirmant l'hypothèse de Halley.

Après la publication de son "Optique" en 1704, dans lequel Isaac Newton développa, en autres choses, la découverte du spectre de la lumière, les aurores furent interprétées comme un phénomène optique lié à la réfraction de la lumière dans des vapeurs volatiles. Aussi il n'est pas étonnant qu'en 1744 le Suédois Lindqvist crut très sérieusement pouvoir simuler des aurores en faisant traverser un rayon de lumière à travers un verre d'Aquavit, de l'alcool de grains...

Plus sérieusement, après avoir observé les grandes aurores de 1716, le célèbre astronome anglais Edmund Halley réfuta la théorie des vapeurs volatiles issues de la Terre du fait que le phénomène couvrait un territoire bien trop étendu.

Halley postula l'existence d'un milieu qu'il baptisa "effluvium" qui émanait d'un gigantesque aimant situé au centre de la Terre et dont le flux suivait les lignes de force du champ magnétique terrestre à l'image de la limaille de fer autour d'un aimant. Cet "effluvium" serait lumineux ou pâle en fonction des force de friction qu'il subirait avec les autres substances. L'hypothèse de Halley expliquait l'une des caractéristiques des aurores, pourquoi elles apparaissaient principalement autour des pôles.

En 1733, dans son "Traité physique et historique de l'aurore boréale", le Français Jean-Jacques d'Ortous de Mairan suggéra que les aurores formaient la lumière zodiacale, cette fine poussière cométaire visible le long de l'écliptique avant le lever ou après le coucher du Soleil. Même si cette première interprétation était erronée, il pensait également qu'il existait une relation entre les taches solaires et les aurores et que l'atmosphère solaire pouvait s'étendre jusqu'à l'orbite de la Terre. Mais il faudra attendre plus d'un siècle pour que les physiciens confirment ses deux idées prémonitoires.

En 1746, Leonhard Euler confirma les idées de Mairan en suggérant que les aurores étaient provoquées par des particules situées dans la haute atmosphère mais refusa de croire que l'atmosphère solaire s'étendait jusqu'à la Terre. Il pensa plutôt que ces particules avaient une origine terrestre et étaient portées à de hautes altitudes par la lumière du Soleil où elles réfléchissaient sa clarté.

A l'époque contemporaine

Enfin, en 1852, Sir Edward Subine découvrit qu'il existait une relation entre la fréquence des perturbations magnétiques terrestres (géomagnétiques) et l'intensité des éruptions solaires.

Relation entre l'activité solaire et les aurores durant un siècle.

A la fin du XIXe siècle alors que de nombreux physiciens se passionnaient pour les décharges d'électricité dans les gaz, inventant les électrodes de platine et les machines à induction, le physicien norvégien Kristian Birkeland simula des aurores dans une chambre sous vide en bombardant de "rayons cathodiques", d'un faisceau d'électrons, une terre artificielle constituée de fer magnétisé. Il conclut que les aurores étaient un phénomène non terrestre.

Mais c'est seulement en 1896, après la Première Année Polaire Internationale que Birkeland proposa une théorie rationnelle liée à l'activité solaire, ainsi qu'en témoigne le document présenté ci-dessus qui met en évidence une relation entre le nombre de taches solaires et le nombre d'aurores durant un siècle d'observation.

Finalement vers 1940, le physicien suédois Hannes Alfvén repris l'expérience de Birkeland avec la "Terrella" et interpréta les aurores en terme de plasma, découverte qui lui valut le prix Nobel de physique... en 1970. Si tard car dans l'intervalle les astronomes mirent beaucoup de temps pour découvrir l'origine des phénomènes lumineux et radioélectriques qui les caractérisaient.

A gauche et au centre, Birkeland simulant des aurores avec sa terre artificielle "Terrella". Documents NASA-GFSC. A droite, l'expérience "planeterrella" réalisée par Jean Lilensten de l'IPAG.

En analysant les relevés magnétométriques, les mesures indiquaient qu'au cours d'une journée l'intensité du champ géomagnétique pouvait augmenter d'un facteur 10 ou fluctuer très rapidement en l'espace de quelques minutes. Quelle source pouvait donc provoquer de telles perturbations ?

Les scientifiques réalisèrent bientôt qu'il devait exister dans l'espace de puissants champs magnétiques pour expliquer les perturbations géomagnétiques qu'ils mesuraient sur Terre. Ils découvrirent que cette activité se manifestait à des moments bien précis et touchait une grande partie du territoire et n'était en rien un épiphénomène local. Ils découvrirent également que cette activité était plus importante aux latitudes nord qu'aux latitudes moyennes, ce que confirmait l'étonnante expérience de la Terrella de Birkeland.

Eugène Parker en 1989. Document U.Chicago.

En 1958, l'astronome américain Eugène N. Parker (1928-2022) démontra que les aurores étaient liées à la dynamique du champ magnétique et des particules libérées par le Soleil.

Mais tous ses confrères, s'ils ne se moquaient pas de lui, estimaient qu'il ne s'agissait que d'une théorie parmi d'autres. Pour apporter une preuve irréfutable à l'appui de sa démonstration, Parker proposa à la toute jeune NASA d'envoyer à bord de la future sonde spatiale Mariner 2 qui devait être lancée vers Vénus en 1962, un magnétomètre et des instruments capables de mesurer l'intensité des particules émises par le Soleil.

C'est alors que les astronomes découvrirent que Parker avait raison. Les enregistrements réalisés par la sonde Mariner 2 mesurèrent un vent de particules intense qui soufflait continuellement du Soleil. Ce courant corpusculaire était tellement intense qu'il figeait en quelque sorte le champ magnétique solaire. Ce "vent solaire" se propageait dans l'espace à une vitesse supérieure à 250 km/s ! C'est à cette occasion que l'on découvrit qu'il existait une interaction électromagnétique entre le Soleil et la Terre, un phénomène très complexe que des dizaines de spécialistes étudient aujourd'hui à temps plein par satellites interposés (SOHO, Cluster, etc).

 Depuis, grâce à l'odyssée des sondes spatiales Pioneer et Voyager, les astronomes ont découvert que ce vent émanant du Soleil est tellement puissant qu'il s'étend au moins quatre fois plus loin que Pluton. Telle est la dimension du système solaire... La sonde spatiale ParkerSolar Probe lancée par la NASA en 2018 explorer le Soleil rend hommage à Eugène Parker. On y reviendra à propos des missions spatiales.

Restait à expliquer comment le Soleil interagissait avec la Terre pour former les aurores... Comment expliquer ce phénomène ? C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

L'activité du Soleil

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