La belle aurore !

Les perturbations et autres défaillances (IV)

Suite à la pression de l'onde de choc sur le champ magnétique terrestre, quelques jours après une CME les orages géomagnétiques entraînent une surchauffe de l'atmosphère terrestre. Entre 125 et 300 km d'altitude la densité de l'atmosphère peut varier d'un facteur 2 à 5, entraînant la retombée accélérée des satellites artificiels. En quelques heures les contrôleurs du NORAD voient ainsi sur leurs écrans plusieurs centaines de satellites changer d'orbite. Solar Max chuta ainsi de plusieurs kilomètres. Des rushes d'activité dans les salles de contrôle surviennent donc systématiquement pendant les éruptions solaires les plus fortes.

Si le vent solaire est très puissant (plus de 2 GW) et l'intensité des courants induits très élevée, les satellites peuvent également être endommagés ou perdre temporairement tout moyen de contrôle (par exemple une panne des circuits des panneaux solaires sur PAS-6 en septembre 1997, défaillance du gyroscope de SOHO en décembre 1998, panne des radiateurs électriques sur Nozomi en 2003, etc). Parfois la panne est si sévère que les ingénieurs ne parviennent pas à réparer le module défaillant à distance; le satellite est alors perdu. C'est une perte sèche qui peut s'élever à plus de cent millions de dollars.

A consulter : Les défaillances des satellites

Le rayonnement corpusculaire de forte énergie émis par le Soleil provoque non seulement des dommages aux satellites placés sur les orbites les plus élevées, mais il corrode également le matériel au sol. Lorsque les rayonnements UV et X arrivent sur Terre, l'intensité du courant électrojet est telle que les orages géomagnétiques sont capables d'affecter les systèmes électriques de transmission. Le champ électromagnétique provoque des décharges d'électricité statique autour des pylônes à haute tension au point de faire sauter les systèmes de sécurité ou d'endommager les transformateurs à huile. Dans la réaction en chaîne qui s'ensuit, toute une région peut-être plongée dans l'obscurité. Un célèbre cas de ce genre s'est produit au Canada le 13 mars 1989, plongeant 6 millions de Québécois et une partie des Etats-Unis dans l'obscurité totale pendant 10 heures !

A gauche, draperie observée en Nouvelle Zélande (46°S) par Stephen Voss le 8 septembre 2002. A droite, Todd Carlson a photographié le ciel de Toronto (43°N) durant et après le blackout survenu au Canada dans la nuit du 13 au 14 mars 1989.

Mais si les électriciens sont toujours hantés par ce genre d'accident, la remise en activité de tout un réseau est tout aussi stressante car tout d'un coup la demande d'électricité peut grimper d'un facteur 6 ! Si le plan de relance est mal organisé, une coupure générale d'électricité peut à nouveau se manifester... En 1989, la remise en état des transformateurs et du réseau hydro-électrique coûta 30 millions de dollars canadiens !

Les variations inhabituelles du courant parasitent également les ordinateurs de transmission et les lignes téléphoniques. Ce champ électromagnétique endommage les systèmes de défense militaires des pays nordiques, les pipelines et les gazoducs. Dans certains cas, pour prévenir les fausses alertes, les blackouts radio ou les coupures de courant, les prévisionnistes doivent prédire le temps en relation avec les phénomènes astronomiques et donc tenir compte de ce qu'on appelle le temps spatial (space weather).

Plus étonnant et tout à fait inattendu, l'activité solaire perturba le déroulement des opérations américaines durant la guerre du Viêt-Nam (1964-1975) au point de faire exploser spontanément des milliers de mines magnétiques sous-marines larguées dans le golfe du Tonkin en 1972. On y reviendra à propos des superéruptions solaires historiques.

A consulter : Les indices solaires et autres échelles géomagnétiques

Les perturbations ionosphériques Durant les grandes tempêtes géomagnétiques des aurores ont été observées jusqu'à la latitude de la Méditerranée (~40°) et du Texas (~30°). Pendant ces périodes la propagation en onde moyenne et longue est totalement interrompue via la couche D de l'ionosphère qui se situe entre 50 et 90 km d'altitude ainsi que les communications en VHF et UHF aux latitudes polaires, c'est le backout radio qui peut durer plusieurs jours. Il s'agit des perturbations ionosphériques brusques. En revanche, les communications HF via les couches F1 ou F2 de l'ionosphère situées à plus de 200 km d'altitude sont toujours assurées (cf. cet article en anglais sur la propagation). Documents R.D.Hunsuncker/PFRR/GEDDS et Navy adapté par l'auteur.

En résumé nous pouvons classer les perturbations géomagnétiques en plusieurs catégories :

- Les variations diurnes, engendrées par le mouvement de marée des particules ionisées dans la haute atmosphère qui vont et viennent à travers les lignes de force du champ magnétique.

- Les crochets qui sont des chutes soudaines de la force magnétique sur la face diurne de la Terre. Ils se produisent après une augmentation de l'ionisation de la haute atmosphère suite à un rayonnement ultraviolet intense. Le redressement est plus lent mais régulier.

- Les commencements soudains qui présentent une augmentation rapide de la force du champ magnétique total. Ils sont provoqués par la compression de la magnétosphère suite à l'arrivée de plasma solaire.

- Les tempêtes magnétiques principales qui suivent en général les commencements soudains. Elles comprennent une diminution rapide du champ magnétique suivi par une période de redressement lent jusqu'au niveau normal. Ces tempêtes sont également dues à une augmentation de l'ionisation et des courants circulants autour de la Terre. Elles sont provoquées par le passage d'une CME ou d'une autre grande discontinuité dans le vent solaire, ce qui se produit habituellement lorsque le champ magnétique interplanétaire (IMF) est étendu et dirigé vers le sud.

- Les tempêtes magnétosphériques secondaires ou sous-tempêtes qui consistent en général en une diminution de l'intensité du champ magnétique en réponse au rétablissement du champ après une tempête principale. Elles peuvent être déclenchées par des discontinuités dans le vent solaire et une IMF orientée vers le sud. Elles peuvent également se former sans acteur extérieur, de façon spontanée. La sous-tempête est associée à l'activité des aurores et peut réapparaître plusieurs fois par jour durant la phase de rétablissement. Dans le jargon, ces rechutes sont dénommées des baies en raison de leur forme sur les magnétogrammes. Ces sous-tempêtes sont produites par des particules arrivant de la queue géomagnétique.

- Les petites tempêtes magnétiques qui ont tendance à se répéter tous les 27 jours en fonction de la rotation solaire. Elles n'entraînent qu'une faible activité aurorale limitée aux latitudes élevées.

Les phénomènes de crochets, les commencements soudains et les tempêtes magnétiques principales sont en général en phase avec le cycle des taches solaires tandis que l'activité des sous-tempêtes et les petites tempêtes magnétiques se développe en phase de déclin du cycle solaire et est associée aux trous coronaux qui jouent, rappelons-le, un effet accélérateur du flux de vent solaire.

Perturbation ionosphérique brusque et spectaculaire de la région D de l'ionosphère (40-70 km d'altitude) survenue le 11 septembre 2017 suite à l'émission d'une CME qui dégrada la MUF et fut à l'origine d'aurores en Alaska (Kp=8). La plus haute fréquence affectée est indiquée dans l'échelle colorée en dessous de la carte. A droite de la carte, l'atténuation en dB. 35 dB d'atténuation équivaut à l'intensité d'un signal radio S7 (assez puissant) perçut comme un signal S1 (juste au-dessus du seuil audible). Cet évènement eut pour effet d'interrompre totalement (blackout) les communications en ondes-courtes jusqu'à 15 MHz, ce qui arrive très rarement. En temps normal la carte ressemble à celle de droite. Documents SWPC/NOAA.

Chimie des aurores

Pourquoi les aurores sont-elles colorées ? Les aurores peuvent avoir des couleurs chatoyantes ou présenter une dominance rouge, jaune-verte ou parfois bleue. Ce phénomène s'explique par un processus chimique similaire à celui qui illumine nos écrans de télévision ou les tubes fluorescents au néon.

Le spectre des aurores affiche des raies et des bandes en émission. Les raies verte (557.7 nm) et rouge (630.0 nm) sont renforcées par les lueurs nocturnes, par la présence des atomes d'oxygène dans la haute atmosphère. C'est la variation d'intensité de ces raies et donc des interactions des particules énergiques avec les molécules présentes dans la haute atmosphère qui différencient les aurores par la couleur.

Consultez le texte pour les explications. Document NASA adapté par l'auteur.

La couleur des aurores varie en fonction de la composition de la haute atmosphère. A plus de 200 km d'altitude les particules énergiques issues du Soleil (protons et électrons) frappent principalement des molécules d'oxygène qui, pour revenir à leur état stable, émettent une lumière rouge parfois orangée.

Entre 100 et 200 km, les électrons frappent des molécules d'azote qui émettent une lumière bleue ainsi qu'un électron secondaire qui pourra exciter un atome d'oxygène qui émettra une lumière verte pour retourner à l'état stable.

En dessous de 100 km d'altitude, où prédomine l'azote neutre, l'émission sera rouge sombre et même parfois rose, ce qui est rare, et parfois bleue s'il s'agit d'azote ionisé. Enfin, c'est également l'azote qui donne une coloration rouge-pourpre à la partie inférieure de certaines draperies.

Des aurores roses photographiées par Markus Varik de Greenlander. Cette couleur est rare.

Si l'ionosphère voit principalement la précipitation d'ions et d'électrons ainsi que leur libération, les protons contribuent également à la formation des aurores. Mais l'énergie moyenne des protons et des électrons varie considérablement d'une région à l'autre et au cours du temps. Les aurores formées par la précipitation des protons sont probablement nombreuses mais elles sont plus difficiles à observer. Ainsi qu'en témoigne la simulation ci-dessous, la précipitation des protons peut produire des aurores rouges identiques à celles formées par les électrons (voir plus bas).

Image d'une aurore induite par des électrons et des protons. A gauche, l'émission rouge est provoquée par la précipitation des protons. Au milieu, l'émission verte (qui peut aussi prendre d'autres couleurs) est produite par la précipitation des électrons. A droite, l'image résultante de la combinaison des deux phénomènes. Document NASA/GSFC.

Formes et brillance des aurores

Les aurores accusent une grande variété de formes que l'on peut rassembler en quatre grandes catégories (entre parenthèses la dénomination anglaise) :

- Les draperies et les arcs (curtains, drapes, arcs) qui telles de grandes tentures semblent onduler ou spiraler devant les étoiles selon l'orientation du champ géomagnétique. Elles comptent parmi les aurores les plus impressionnantes et sont aussi les plus brillantes, affichant parfois des couleurs chatoyantes comme nous le verrons plus loin.

- Les bandes (bands) qui ressemblent aux draperies sans leur caractère onduleux. Parfois isolées parfois alignées en rangs serrés elles comptent également parmi les aurores les plus étendues et les plus brillantes.

- Les rayons et les couronnes (rays, corona) qui se caractérisent par une limite inférieure très nette, qui va en s'estompant vers la partie supérieure. Les arcs et les couronnes sont souvent très étendus et peuvent occuper plus de la moitié du ciel. Bien souvent ils présentent des sommets ou une base enchevêtrée ou convulsée très nette. Habituellement les couronnes occupent le zénith et s'ouvrent dans toutes les directions par un effet de perspective.

- Les aurores diffuses (glows) que l'on observe aux latitudes moyennes, qui ne présentent pas de contours définis mais illuminent simplement une partie du ciel de rouge, de bleu ou de jaune-vert.

- Les aurores à protons qui sont exclusivement déclenchées par l'excitation des protons (contrairement aux précédentes aurores qui sont déclenchées par des électrons). Elles se manifestent principalement dans la partie UV du spectre (raie Lyman α à 121.5 nm, bande UV-C) ainsi que dans la partie visible du spectre (cf. cette étude).

- Les dunes (dunes) découvertes récemment (voir plus bas).

Citons à part les aurores perlées (picket fences) et les STEVE (Strong Thermal Emission Velocity Enhancement) qui n'obéissent pas au même processus de formation que les aurores communes (voir plus bas).

Bien évidemment cette classification est arbitraire. Vous pouvez observer des rayons baignant dans une aurore diffuse, des bandes se transformer en draperies, des arcs ressemblant à des draperies, des bandes formées de rayons, etc. Seule l'expérience vous aidera à les distinguer.

Comportement des aurores

Pourquoi les aurores ondulent-elles dans le ciel et changent de forme ? Pour répondre à cette question et quelques autres, en 2007 la NASA lança cinq sondes spatiales dans le cadre de la mission THEMIS dans le but d'étudier la géomagnétosphère et les aurores polaires et leurs effets sur les signaux de télécommunication, notamment ceux des satellites du réseau GPS. Grâce à THEMIS dont les sondes ont exploré la magnétosphère entre 20000 et 2 millions de km de la Terre, les scientifiques ont plus appris sur le comportement du champ magnétique terrestre en 6 ans qu'au cours des 40 dernières années.

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2016, Evgeny Panov de l'Académie des Sciences d'Autriche à Graz et ses collègues du centre Goddard de la NASA ont montré qu'il existe un lien direct entre les perturbations se manifestant dans la magnétosphère et la réponse magnétique au sol. En effet, jusqu'à alors les géophysiciens avaient bien observé ces perturbations depuis des décennies mais soit en altitude soit au sol mais jamais aux deux endroits simultanément.

A voir : THEMIS Sees Magnetic Reconnection

A gauche, illustration des sondes spatiales THEMIS de la NASA qui depuis 2007 permettent aux géophysiciens d'étudier la géomagnétosphère et les aurores. A droite, l'instant où la reconnexion des lignes de force dans la queue magnétique va déclencher la formation d'aurores autour des pôles géomagnétiques. Voir égalemenrt l'animation ci-dessus. Documents NASA et Walt Feimer/NASA/GSFC.

Grâce aux satellites de la mission THEMIS, on peut aujourd'hui expliquer pourquoi les aurores ondulent. Ces mouvements se forment suite à une reconnexion des lignes de force à hauteur de la queue magnétique au cours de laquelle le plasma est freiné dans sa précipitation vers la Terre, ce qui produit des oscillations du champ magnétique correspondant à la modulation de la lumière qu'on observe dans les aurores. Ainsi, en analysant simultanément les caractéristiques du champ magnétique terrestre en altitude et au sol, Panov et son équipe ont découvert que les aurores évoluaient en harmonie avec les vibrations des lignes de force de la queue magnétique qui comme nous l'avons expliqué réagissent à l'image d'un ressort tendu qui se détend en vibrant quelques instants.

Pendant cette sous-tempête l'environnement est instable, poussant les électrons les plus proches de la Terre à plonger rapidement vers les cornets polaires où comme nous l'avons expliqué ils interagissent avec les molécules d'oxygène et d'azote, libérant des photons dans un chatoiement de couleurs qui ondulent à travers le ciel.

Les aurores pulsantes ou PsA

Comment explique-t-on la variation de brillance des aurores, c'est-à-dire les pulsations qu'elles présentent parfois comme le montre la vidéo ci-dessous ? Satoshi Kasahara de l'Université de Tokyo a décrit ce phénomène dans la revue "Nature" en 2018 après avoir observé directement ce type d'aurore au Canada lors d'une sous-tempête géomagnétique.

A voir : Pulsating aurora (8 Feb 2018)

Grâce aux données enregistrées par le satellite ERC de la JAXA, Kasahara et ses collègues ont pu mesurer le flot d'électrons spiralant autour des lignes de force du champ géomagnétique et cartographier ces lignes jusqu'à l'ionosphère où se manifestent les aurores.

Les observations indiquent que les électrons sont amplifiés par des ondes chorus en mode siffleur (whistler). Dans la partie supérieure de la magnétosphère, les électrons interagissent avec ces ondes radioélectriques VLF ou ELF et sont projetés vers le bas, vers l'ionosphère où les aurores deviennent plus brillantes et se mettent à pulser. Ensuite, les électrons rebondissent vers la magnétosphère, un aller-retour qu'ils peuvent accomplir plusieurs fois et pendant plusieurs heures. Les aurores deviennent brillantes lorsque la vague d'électrons s'écrase contre l'ionosphère et s'affaiblissent quand elle rebondit en altitude.

Comme l'explique Allison Jaynes de l'Université d'Iowa dans la même revue "Nature", cette théorie était connue depuis plusieurs décennies mais n'avait jamais été validée jusqu'à cette observation. Le problème est que les stations d'observations au sol et les satellites doivent être alignés au bon moment et au bon endroit pour qu'on puisse étudier ce phénomène, une configuration qui ne s'était jamais présentée jusqu'à présent.

Des électrons tueurs capables de détruire la couche d'ozone

Dans un article publié dans les "Geophysical Research Letters" en 2020, Yoshizumi Miyoshi de l'Institut de recherche environnementale Espace-Terre de l'Université de Nagoya, et ses collègues ont décrit comment des pluies d'électrons de forte énergie tombant dans la mésosphère pendant les aurores pulsantes peuvent localement détruire la couche d'ozone mésosphérique.

La couche d'ozone mésosphérique se situe entre 60 et 100 km d'altitude. Comme nous venons de l'expliquer, les résultats des simulations et les mesures faites par les satellites (THEMIS, ERC, SAMPEX, etc) suggèrent que les électrons de basse et de haute énergie qu'on détecte durant les manifestations des aurores pulsantes proviennent simultanément d'interactions entre les ondes chorus et les électrons présents dans la géomagnétosphère (cf. M.Samara et R.G. Michell, 2010; M.Shumko et al., 2021).

Les ondes chorus sont des ondes de plasma générées près de l'équateur magnétique. Une fois générées, elles se propagent vers le nord et le sud, interagissant avec les électrons de la géomagnétosphère. Cette interaction dynamise les électrons, les dispersant dans la haute atmosphère, où ils libèrent l'énergie lumineuse sous la forme d'aurore pulsante.

Les électrons qui résultent de ces interactions sont de faible énergie, transportant seulement quelques centaines de keV, contre plusieurs MeV pour les électrons de très haute énergie.

Miyoshi et son équipe suggèrent que les électrons de haute énergie des aurores pulsantes sont des électrons relativistes, également appelés "électrons tueurs" (killer electrons), en raison des défaillances et dommages qu'ils peuvent occasionner aux satellites en orbite. Selon Miyoshi, "Notre théorie indique que les électrons tueurs qui précipitent dans l'atmosphère moyenne sont associés aux aurores pulsantes et pourraient être impliqués dans la destruction de l'ozone [mésosphérique]."

L'équipe prévoit de tester sa théorie en étudiant les données enregistrées lors de la mission spatiale américano-japonaise LAMP (Loss through Auroral Microburst Pulsations) lancée en 2022 depuis le site de PFRR (Poker Flat Research Range) à Fairbanks, en Alaska. Les expériences LAMP permettront de caractériser les électrons tueurs associés aux aurores pulsantes et en principe de valider cette hypothèse.

On reviendra sur l'effet des particules à haute énergie provenant de l'espace sur l'atmosphère lorsque nous décrirons les aurores à protons (voir plus bas).

Nouvelles formes d'aurores

Les dunes

En collaboration avec des chercheurs, des photographes amateurs finlandais ont découvert une nouvelle forme d'aurore : les dunes. Sept évènements similaires ont été identifiés par le service "Taivaanvahti"' (Sky Watch) géré par la Ursa Astronomical Association. Fin 2018, Minna Palmroth de l'Université d'Helsinki publia un livre intitulé "Revontulibongarin opas" (un guide pour les observateurs des aurores boréales) né de la coopération de Palmroth avec des passionnés d'aurores boréales et des réponses qu'elle apporta aux questions sur la physique du phénomène.

A voir : Dunes - The new type of Aurora Borealis, 2020

Une aurore en forme de "dunes" observée en Finlande. Voir également la vidéo ci-dessus. Document Kari Saari/U.Helsinki.

Dans une étude publiée dans la revue "AGU Advances" en 2020, Palmroth et son équipe sont parvenus à retracer l'origine des dunes jusqu'à un guide d'ondes formé dans la mésosphère et sa limite, la mésopause. Les dunes se développent à une altitude relativement basse de ~100 km. La longueur d'onde du champ d'onde atteint 45 km. En raison des difficultés de mesurer des phénomènes atmosphériques se produisant à cette altitude, les spécialistes appellent parfois cette zone "l'ignorosphère".

Selon Palmroth, les dunes seraient le résultat d'une augmentation de la densité des atomes d'oxygène. Reste à expliquer comment la variabilité de la densité des atomes d'oxygène induite par les ondes de gravité dans l'atmosphère se traduit par un champ d'ondes aussi uniforme et étendu. Normalement, à cette altitude, il existe de nombreux types d'ondes de gravité qui se propagent dans différentes directions à différentes longueurs d'ondes; elles ne forment donc pas facilement les champs d'ondes uniformes comme dans le cas des dunes.

Les chercheurs pensent que le phénomène en question est un alésage mésosphérique, un phénomène rare et peu étudié qui se déroule dans la mésosphère. On peut comparer ce phénomène au mascaret, cette vague commune à de nombreuses rivières et fleuves, où la marée remonte le cours d'eau.

Dans l'atmosphère différents types d'ondes de gravité peuvent apparaître. Comme illustré à droite, dans de très rares cas, les ondes de gravité peuvent être filtrées lorsqu'elles s'élèvent entre la mésopause et une couche d'inversion qui se forme par intermittence en dessous de la mésopause. La mésopause et la couche d'inversion sont plus froides que les autres couches de l'atmosphère. Le canal établit entre ces deux couches pemet aux ondes de gravité de parcourir de longues distances sans atténuation. Les aurores en forme de dune sont créées lorsque le vent solaire charge les atomes d'oxygène qui traversent le canal.

C'est pourquoi les alésages mésosphériques - un phénomène jusqu'ici considéré comme un sujet de recherche très difficile - peuvent parfois être observés à l'œil nu. Avant cette découverte, aucun alésage mésosphérique n'avait été observé dans la zone aurorale, ni étudié via les émissions aurorales.

Traditionnellement, les chercheurs spécialisés dans l'atmosphère et l'espace ont largement étudié leurs sujets d'intérêt séparément les uns des autres. En effet, il n'existe qu'une poignée de mécanismes connus d'interaction entre l'ionosphère baignant dans les électrons et l'atmosphère neutre. Les dunes se sont produites simultanément et dans la même région où l'énergie électromagnétique provenant de l'espace est transférée dans "l'ignorosphère". Selon Palmroth, "Cela pourrait signifier que l'énergie transmise de l'espace à l'ionosphère peut être liée à la création de la couche d'inversion dans la mésosphère. En termes de physique, ce serait une découverte étonnante, car elle représenterait un nouveau mécanisme d'interaction entre l'ionosphère et l'atmosphère, qui n'avait jamais été observé auparavant."

Les aurores perlées et les STEVE

Dans un article publié dans les "Geophysical Research Letters" de l'AGU en 2020, la physicienne Kareem Sorathia du Centre des Tempêtes Géospatiales (CGS ou Center for Geospace Storms) de la NASA dont le siège est au JHUAPL et ses collègues ont annoncé avoir résolu le mystère des aurores perlées (picket fences).

Les aurores perlées furent découvertes le 21 novembre 2002 dans les images prises par le satellite IMAGE (Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration), alias Explorer 78 de la NASA qui les photographia en UV lointain (FUV entre 122-200 nm) comme on le voit sur la photo présentée à gauche. Ensuite, dans le cadre de la mission THEMIS précitée, des aurores perlées furent observées le 2 octobre 2011 au Canada au cours d'une sous-tempête géomagnétique (cf. cet article). Depuis 2015, des amateurs en ont photographié notamment au Canada.

Les aurores perlées sont provoquées par des turbulences dans le plasma et apparaissent souvent juste avant les grandes aurores provoquées par des sous-tempêtes géomagnétiques se produisant dans l'espace proche. Elles sont généralement de couleur verte. Jusqu'à présent, les scientifiques ne savaient pas si les aurores perlées étaient connectés à d'autres types d'aurores précédant les sous-tempêtes ou si elles résultaient de perturbations plus proches dans l'atmosphère terrestre.

Un modèle informatique appelé GAREMA et de puissants superordinateurs simulant l'environnement proche de la Terre, combinés aux observations de la mission THEMIS ont fourni la première preuve directe que des évènements se produisant dans l'espace conduisent directement à l'apparition des aurores perlées et ont démontré le rôle important qu'elles jouent à petite échelle (quelques centaines ou milliers de kilomètres) dans notre environnement spatial local.

Selon David Sibeck du projet THEMIS au centre Goddard de la NASA, "On s'est rendu compte, en résumé, que ces évènements transitoires relativement peu importants qui se produisent autour de la magnétosphère sont en quelque sorte importants. Nous ne sommes arrivés que récemment au point où la puissance de calcul est suffisamment bonne pour saisir la physique de base de ces systèmes."

A présent que les scientifiques comprennent que les aurores perlées précèdent les sous-tempêtes, ils veulent comprendre comment, pourquoi et quand ces phénomènes pourraient déclencher une véritable sous-tempête. En théorie en tous cas, les aurores perlées peuvent enchevêtrer les lignes de champ magnétique et provoquer un évènement explosif, la reconnexion magnétique, bien connue pour créer des sous-tempêtes et des aurores à grande échelle capables d'illuminer tout le ciel nocturne.

Selon Sorathia, "Il y a beaucoup de structures très dynamiques et à très petite échelle que les gens observent dans les aurores polaires à 100 km d'altitude mais qui sont difficiles à relier au phénomène plus général qui se déroule à 50000 km dans l'espace car elles se produisent très rapidement et à très petite échelle. Maintenant que nous pouvons utiliser des modèles mondiaux pour les caractériser et les étudier, cela ouvre de nombreuses nouvelles portes."

Quant aux STEVE, acronyme de Strong Thermal Emission Velocity Enhancement (forte accentuation de la vitesse d'émission thermique), ils furent reconnus pour la première fois en 2018 comme étant distincts des aurores communes et sont associés aux aurores perlées, les deux phénomènes étant produits par les mêmes processus physiques. Mais les scientifiques ignoraient comment ces émissions lumineuses étaient produites.

Certains chercheurs ont proposé que les STEVE sont produits par des flux d'ions dans la haute atmosphère au cours d'un processus appelé la dérive ionique subaurorale (SAID pour subauroral ion drift), bien qu'il n'y ait pas d'explication physique faisant consensus sur la façon dont le SAID pourrait générer des émissions colorées (cf. Y. Nishimura et al., 2019).

A voir : NASA Spacecraft Uncover Mystery Behind Auroral Beads, 2020

A gauche, les longues bandes violette et blanchâtre sont des "STEVE" (Strong Thermal Emission Velocity Enhancement), tandis que les petites haies vertes sont appelées des "aurores perlée" (picket fence). Ces phénomènes rares, distincts des aurores, se manifestent souvent ensemble et peuvent être provoqués par des conditions similaires aux confins de l’espace. La photo fut prise vers l'horizon sud, au-dessus du lac de Berg en direction du mont Robson (53°N), dans les Rocheuses canadiennes, en Colombie-Britannique. A droite, un STEVE et une aurore perlée photographiés le 4 septembre 2022 depuis Ely dans le Minnestota (47.9°N). Documents Robert Downie et Heidi Pinkerton.

A l'inverse des aurores, les STEVE n'affichent pas de raies d'émission individuelles, mais un large continuum centré autour du violet ou du mauve. Contrairement aux aurores polaires, les STEVE n'émettent pas de lumière bleue qui est générée lorsque les particules les plus énergétiques frappent et ionisent les molécules d'azote.

Les STEVE et les aurores perlées apparaissent à des latitudes plus basses que les aurores, potentiellement même jusqu'à l'équateur. Enfin, ils ne se limitent pas au ciel au-dessus de l'horizon nord (s'étendant d'ouest en est) mais peuvent par exemple apparaître du côté sud.

Claire Gasque du Space Science Laboratory (SSL) de l'Université de Berkeley s'est intéressée à ces deux phénomènes transitoires suite à des suggestions selon lesquelles les émissions des aurores perlées seraient générées par des champs électriques à basse altitude parallèles au champ magnétique terrestre. Mais ce phénomène semblait a priori impossible car tout champ électrique aligné avec le champ magnétique devrait rapidement disparaître. Gasque et ses collègues ont donc voulu vérifier si ce processus pouvait expliquer ces phénomènes lumineux transitoires.

En utilisant un modèle physique de l'ionosphère, Gasque et ses collègues ont réussi à démontrer qu'un champ électrique parallèle modéré - environ 100 mV/m - à une altitude d'environ 110 km pouvait accélérer les électrons jusqu'à une énergie qui exciterait l'oxygène et l'azote et générerait le spectre de la lumière observé dans les aurores perlées. Des conditions inhabituelles dans cette zone, telles qu'une densité plus faible de plasma chargé et des atomes d'oxygène et d'azote neutres plus nombreux, pourraient potentiellement servir d'isolant et empêcher le champ électrique de produire un court-circuit.

A gauche, des perles aurorales photographiées avec un APN le 21 décembre 2015 à 5h01m58s TU près de Saskatoon (52.1°N) au Canada par l'astronome Alan Duffy. Temps d'exposition de 2.5 s. L'arc auroral s'étend sur ~500 km et les perles sont séparées de ~20 km. Le phénome dura environ 4 minutes. A droite, des perles aurorales fondues dans une draperie photographiée par Vincent Guth en 2015. La séparation entre les "perles" est identique sur les deux images.

Selon les auteurs, une aurore perlée ne serait pas une aurore au sens physique mais la manifestation d'un champ électrique : "l'aurore perlée pourrait ne pas être entraînée par des précipitations de particules magnétosphériques, mais plutôt par des champs électriques locaux parallèles au champ magnétique terrestre."(cf. L.C. Gasque et al., 2023).

Selon Gasque, "Si vous regardez le spectre d'une aurore perlée, il est beaucoup plus vert que prévu. Et il n'y a aucun bleu provenant de l'ionisation de l'azote. Cela signifie qu'il n'existe qu'une gamme d'électrons d'une énergie spécifique pouvant créer ces couleurs, et ils ne peuvent pas provenir de l'espace car ces particules ont trop d'énergie. Au lieu de cela, la lumière émise par l'aurore perlée est créée par des particules qui doivent être alimentées par un champ électrique parallèle, ce qui est un mécanisme complètement différent de celui d'une aurore commune."

Gasque et son collègue Brian Harding, physicien au SSL et coauteur de cet article, soupçonnent que le STEVE serait produit par des processus connexes. Leurs calculs prédisent également le type d'émissions ultraviolettes que ce processus produirait, ce qui peut être vérifié pour valider cette nouvelle hypothèse sur les aurores perlées.

A gauche, une aurore perlée photographiée par Shawn Malone depuis Isle Royale au Michigan (48°N), le 13 septembre 2018. Au centre, un STEVE photographié par Ryan Sault le 10 avril 2018 à Prince George (53.9°N), en Colombie-Britannique, au Canada. A droite, un STEVE photographié dans le centre de l'Angleterre et visible jusqu'en Ecosse (53-56°N) le 5 novembre 2023. Document iTV.

Bien que les calculs de Gasque ne traitent pas directement de l'émission des aurores perlées, elle estime que la forme perlée est probablement dûe aux variations ondulatoires du champ électrique. Et même si les particules accélérées par le champ électrique ne proviennent probablement pas du Soleil, le "brouillage" de l'atmosphère par les tempêtes solaires déclenche probablement les STEVE et les aurores perlées de la même manière que les aurores polaires.

Gasque et ses collègues ont calculé que dans une région de la haute atmosphère plus basse que celle dans laquelle se forment les aurores, des champs électriques parallèles au champ magnétique terrestre pourraient produire le spectre de couleurs des aurores perlées. Si c'est exact, ce processus inhabituel et exotique a des implications sur la façon dont les physiciens comprennent le transfert d'énergie entre la magnétosphère terrestre et l'ionosphère. Selon Gasque, "Cela bouleverserait notre modélisation de ce qui crée la lumière et l'énergie de certaines aurores."

Pour les auteurs, la prochaine étape consiste à lancer une fusée depuis l'Alaska à travers ces phénomènes et à mesurer la force et la direction des champs électriques et magnétiques. Ils espèrent que ce projet se concrétisera en 2024 dans le cadre du programme LCAS (Low Cost Access to Space) parrainé par la NASA.

Les aurores à protons

Les aurores à protons se forment de la même manière que les aurores classiques : un nuage de plasma libéré par le Soleil transporte des ions et des électrons très énergétiques. Arrivant près de la Terre, ces particules sont piégées dans le champ géométique et les ceintures de Van Allen qui empêchent les particules de bombarder directement la planète et la transformer en un désert sec et stérile comme Mars.

Les particules qui atteignent la ceinture interne de Van Allen peuvent se faufiler le long des lignes de force du champ géomagnétique et perturber l'atmosphère terrestre. Les oxydes d'azote et d'hydrogène qui sont libérés par les interactions avec l'atmosphère appauvrissent temporairement l'ozone atmosphérique. Cependant, cette réaction se produit uniquement  avec l'ozone mésosphérique et n'affecte pas l'ozone stratosphérique située juste en dessous. Cependant, les aurores à protons isolées affectent la Terre d'une autre manière.

Bien que les particules de plasma à haute énergie puissent modifier la quantité d'ozone mésosphérique, les détails de leur impact sont encore mal compris. En effet, ces particules ne sont pas visuellement observables, rendant leur localisation plus difficile. Cependant, lorsque ces particules chargées interagissent avec les molécules présentes dans la haute atmosphère, elles émettent une aurore à protons isolée parfaitement visible (alors que sur Mars elles émettent dans l'UV). Si les aurores classiques apparaissent autour des pôles Nord et Sud, les aurores à protons isolées sont visibles sous forme de taches ou de bandes isolées à des latitudes plus basses.

A gauche, graphique adapté par l'auteur montrant la trajectoire des particules à haute énergie et leur interaction avec la couche d'ozone mésosphérique. Au centre et à droite, analyse de la perte locale d'ozone associée aux aurores à protons (IPA ou Isolated Proton Aurora) induite par des ondes EMIC (Electromagnetic Ion Cyclotron) lors d'une tempête géomagnétique (au centre) et en l'absence de tempête (à droite). (a) Carte globale de l'ozone mésosphérique (SABRE, étoiles), REP (Relativistic Electron Precipitation, au centre RMB-Z, triangles ≥ 90 comptages et à droite MEPED, triangles ≥ 4 comptages), et aurore (superposition acquise au centre de 19h44 à 25h46 TU par DMSP18 et 16/SSUSI et à droite de 22h18 à 27h32 TU par DMSP19/SSUSI). (b) Carte agrandie (aurore prise au centre à 23h45 TU par DMSP16/SSUSI, à droite à 24h07 TU par DMSP19/SSUSI). Les flèches noires indiquent la direction de l'orbite des satellites ISS et TIMED au centre et TIMED et POES à droite, avec le numéro d'orbite et les informations temporelles entre parenthèses donnant le temps de mesure pour TIMED/SABRE. Le point noir indique l'emplacement d'Athabasca (ATH), au Canada. (c) Profil d'altitude tangente de l'ozone pendant l'orbite 73365 au centre et 68683 à droite à travers l'IPA. (d) Différence dans les profils d'ozone mésosphérique. Zone "Trou d'aiguille" mise en surbrillance. (e) Activité de l'onde EMIC/Pc1 le 22 juin 2015 à ATH au centre et le 11 août 2014 à Fort XChurchill (FCHU) au Canada, à droite. La ligne pointillée noire est la gyrofréquence O+ à l'équateur magnétique estimée à partir d'un modèle de champ géomagnétique empirique. Les lignes rouges indiquent l'heure à laquelle chaque instrument a dépassé la latitude magnétique de l'IPA (~ 57° au centre et ~63° à droite). Les nombres entre parenthèses indiquent le numéro d'orbite de chaque satellite. Documents M.Ozaki et al./U.Kanazawa (2022).

Pour détecter ces aurores à protons, les chercheurs ont utilisé la télédétection par satellite, des observations terrestres du champ électromagnétique et des données provenant de la station spatiale ISS.

Selon un article publié dans la revue "Nature Scientific Reports" en 2022 par Mitsunori Ozaki de l'Université de Kanazawa et une équipe internationale de chercheurs, les effets des aurores à protons isolées ont provoqué un trou de près de 400 km de diamètre dans la couche d'ozone mésosphérique.

En comparant leurs résultats aux simulations, les chercheurs ont constaté que le changement était beaucoup plus important que prévu. Entre 10 et 60% de l'ozone située directement sous l'aurore furent détruits 90 minutes après le début de l'activité aurorale. Cependant, les chercheurs soulignent que ce changement devrait disparaître naturellement et ne provoquer aucun déclin à long terme sur la quantité d'ozone. Bien qu'une diminution de l'ozone ait été observée, ce phénomène ne devrait avoir aucun effet sur la couche d'ozone stratosphérique qui protège la vie sur Terre.

Selon les chercheurs, "[Les retombées d'électrons] de la ceinture de rayonnement terrestre jouent un rôle important dans la perte d'ozone mésosphérique en tant que lien entre la météo spatiale et le système climatique."

Bien que les dommages laissés dans l'ozone mésosphérique se résorbent plus rapidement que les trous dans la couche d'ozone stratosphérique (qui sont souvent causés par les activités humaines), les aurores à protons isolées produisent des changements dans l'atmosphère. Comme les aurores classiques qui accompagnent les tempêtes géomagnétiques, ces changements de la météo spatiale peuvent engendrer des incidents sur les satellites et les infrastructures électriques, tandis les particules chargées constituent un danger pour les astronautes.

Seon les chercheurs, "il s'agit de la première étude observationnelle qui montre que les retombées des électrons de la ceinture de Van Allen ont un effet direct, immédiat et localisé sur les changements atmosphériques dans la mésosphère." Ils concluent : "Ce résultat suggère fortement que l'influence des électrons de la ceinture de rayonnement ne peut être ignorée dans la prédiction des changements dans l'environnement atmosphérique de la Terre."

Cette découverte devrait contribuer à une meilleure prédiction des changements à court terme dans l'environnement atmosphérique de la Terre en tenant compte des effets de l'ionisation atmosphérique par le plasma à haute énergie provenant de l'espace. Les résultats aideront les scientifiques à prévoir les fluctuations de la météo spatiale qui pourraient éventuellement affecter l'atmosphère de la planète.

Décrivons à présent les autres missions scientifiques consacrées à l'étude des aurores polaires.

Prochain chapitre

Les missions scientifiques

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