 Le devenir du vent solaire : l’aurore boréale HOESTLAND Antoine
Introduction : Les aurores polaires, « nuages de gaz enflammé » (Anaximène de Milet) ou encore « déchirures du ciel nocturne derrière lesquelles on voit des flammes » (Aristote), ont dans un premier temps enflammé les imaginations des hommes qui les admiraient du dessous, puis dans un deuxième temps, ont suscité la curiosité des astrophysiciens… Les légendes, pour une raison géographique, sont avant tout d’origine esquimaude. De nombreuses personnes ont donné leur interprétation plus ou moins fantaisiste sur le phénomène. Mais ce n’est qu’au VI siècle a.v J.C, qu’il y eut de sérieuses descriptions sur les aurores polaires. Les premières analyses scientifiques apparaissent avec la renaissance.
Après de longues années d’étude du champ magnétique terrestre et solaire, permises grâce à la conquête de l’espace, on sait que les aurores polaires sont en fait le résultat de précipitation de protons et d’électrons dans la haute atmosphère qui, portées à un état excité par cet impact de particules énergétiques, émettent un photon de longueur d’onde spécifique. Les aurores polaires sont donc le reflet de la haute atmosphère terrestre, mais elles sont également la manifestation la plus visible entre le vent solaire et le champ magnétique. Nous nous sommes interrogés sur un des devenirs du vent solaire et avons essayé de vulgariser ce phénomène complexe : de la formation du vent solaire à l’aurore polaire.
I. Le vent solaire : A. découverte : Une comète qui se situe loin du soleil se réduit à un noyau solide fait d’un mélange de glace, de poussières ou de graviers : la comète ressemble alors à une immense boule de neige sale. En s’approchant du soleil, elle se réchauffe et commence à libérer des gaz et des poussières ce qui entraîne la formation d’une longue queue de gaz et de poussières qui s’échappe de son noyau solide. Cette queue peut mesurer plusieurs millions de kilomètres. Logiquement elle devrait être orientée selon le mouvement de la comète (comme une écharpe qu’on laisserait flotter à vélo). Or ce n’est pas tout à fait le cas : la queue est dédoublée :
N.B : Biermann, n'a pas découvert la deuxième queue, mais a compris ce phénomène.
B. Origine et composition du vent solaire 1°) Ce qui faut savoir sur le soleil Le soleil a un diamètre 109 fois plus gros que celui de la Terre, et est 332000 plus lourd que la Terre. Le soleil est composé de plusieurs couches concentriques dont les plus importantes sont :
2°) Composition du vent solaire : La composition du vent solaire est semblable à celle de la couronne : principalement d’électrons et de protons. La présence d’électrons assure le maintient d’un ensemble électriquement neutre. Ce plasma solaire se déplace à une vitesse comprise entre 300 km/s et 800 km/s. 3°) Origine : Le soleil émet continuellement un flux de particules qui créent autour du système solaire une bulle de gaz chaude et ionisée (le plasma), appelée héliosphère. La température du plasma de la couronne est très élevée, et les particules possèdent une vitesse d’agitation thermique importante. (Les atomes ou les molécules ne sont jamais immobiles mais en perpétuelle agitation. Ce mouvement continuel est corrélé avec la température, c'est-à-dire que lorsque la température augmentera, la vitesse d’agitation thermique augmentera aussi) Elle est d’environ 150 km/s pour les protons et supérieure à 5000 km/s pour les électrons. Lorsque ces particules atteignent une certaine altitude, la température est plus élevée et la vitesse d’agitation thermique des électrons est donc plus importante. Elle deviendra même supérieure à leur énergie gravitationnelle avec le soleil. Ils pourront donc s’échapper de son emprise. Comme les électrons sont chargés négativement, ils attireront les protons. (Chargés positivement) Le vent solaire est éjecté à une très grande vitesse. Puis celle-ci reste approximativement constante jusqu'à la Terre. La vitesse du vent solaire est liée à la région d’où il provient.
4°) Trajectoire du vent solaire : Pour comprendre l’écoulement du vent solaire, prenons l’exemple d’un tourniquet d’arrosage. Celui-ci émet continuellement de l’eau. Mais à cause de la rotation du tourniquet sur lui-même, la direction de chaque goutte d’eau ne sera pas la même. L’ensemble des gouttes d’eau formera une spirale. Pour l’écoulement du vent solaire, c’est la même chose : le tourniquet d’arrosage est remplacé par le soleil (qui a une période de rotation de 27 jours), et les gouttes d’eau correspondent au vent solaire. Lors de sa rotation sur lui-même, le soleil va éjecter des particules : le vent solaire, mais la direction de chacune d’entre-elles sera différente, d’où le schéma suivant (une animation, montrant l’écoulement du vent solaire, sur http://hugoclave.free.fr/ExposeAuroreBoreale.htm permet de mieux comprendre).
Schéma bilan II. Evolution du vent solaire au contact du champ magnétique terrestre : A. Un exemple le champ magnétique terrestre : De nombreux astres de l’univers possèdent un champ magnétique : ils sont souvent de tailles importantes allant de la planète aux plus grosses étoiles. Ces champs magnétiques sont créés par la bipolarisation de l’astre, comme un énorme aimant, avec une partie « positive » et une partie « négative » ; et cette bipolarisation est le résultat de diverses mouvements de convexions d’éléments minéraux (comme le fer liquide) à l’intérieur de l’astre c’est à dire son noyau liquide. Et c’est ce qui se passe sur notre planète : à l’intérieur du noyau liquide de nombreux éléments chimiques chargés circulent sous forme de mouvements de convexions (c’est l’hypothèse la plus plausible qu’on proposait les scientifiques). Suite à cela, des lignes de champs sont ainsi « créées », partant du pôle – pour rejoindre le pôle + (ou dans le sens inverse, selon la charge de la particule en question).Ces lignes formes des couches concentriques de chaque « côtés » de la terre, de même dimension et s’éloignant de plus en plus. Les particules ainsi piégées par ces lignes de champs vont les suivre et retourner ainsi vers la terre, du côté opposé de son émission (pour simplifier, un électron arrivera au pôle nord et un noyau d’He++ au pôle sud) : c’est ce champ magnétique qui permet à de nombreux éléments de rester dans l’atmosphère terrestre (H2,N2,O2,CO2…) et qui rendent donc possible l’existence de la vie. Mais les particules ne suivent pas les lignes de champs de façon linéaires, elles s’enroulent autour d’elles avec un rayon égal au Rayon de Larmor de la particule (ce qui sera un facteur très important pour la suite). Cependant, ces déviations de particules chargées du vent solaire ou provenant directement de la Terre engendrent des modifications de pression des gaz magnétisés et ionisés qui, à leur tour, produisent de nouveaux courants électriques qui sont à l’origine d’un autre champ magnétique. Le champ « total » (avec celui de la Terre) qui en résulte et donc nettement plus complexe que le champ théorique décris au dessus et correspond nettement plus a la réalité : on appelle cela la Magnétosphère. Dans ce milieu interstellaire, en vulgarisant ce phénomène, la matière chargée amenée par le vent solaire (électrons, protons, ions…) va contourner le champ magnétique induit par la terre. La Force de Lorentz étant la plus importante dans ce cas ci, les électrons et les protons sont déviés dans des directions opposées. Cependant, comme nous l’avons déjà remarqué, un mouvement de charges génère un champ magnétique. Il y a alors deux champs magnétiques qui se rencontrent au voisinage de la Terre : celui créé par le vent solaire et celui induit par la Terre. La pression cinétique du vent solaire va alors « tasser » les lignes de champs de la Terre du côté soleil et au contraire étirer ces lignes du côté « nuit », créant ainsi une « queue neutre » qui s’éloigne du côté opposé au soleil. Cette « lame » est considérée comme neutre car elle se situe entre un flux de particules positives et un flux de particules négatives (2 lignes de champs de sens opposées), ce qui pousse à l’extrême le vide de cette région (moins d’1particule.cm-3, record absolu de vide).
B. Quand le vent solaire rencontre la magnétosphère A la limite du vent solaire et du champ magnétique se trouve une surface d’équilibre appelée magnétopause. Cette magnétopause est une bulle de vide (appelée cavité magnétosphérique) très légère et donc très peu dense (moins de 1particule.cm-3) et qui est située à environ 60000km côté jour à plus de 400000km dans la direction opposée. Ce vide est en fait du à la différence des Rayons de Larmor des particules chargées – (électrons) et + (protons, noyaux d’He2+), ce qui produit donc une zone neutre égale à la différence entre ces 2 rayons.
Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessus, lorsqu’une particule chargée, provenant d’un endroit où le champ magnétique est quasiment nul, va se heurter à la limite de la magnétosphère (donc le champ magnétique est non négligeable), elle va décrire un arc de cercle autour de cette frontière pour être réinjectée dans l’espace ensuite. Cette déviation de direction, mais sans changement de vitesse, est due à la force de Lorentz qui s’applique dans un champ magnétique. On a pu en déduire que l’épaisseur de la magnétosphère était relativement similaire à la distance qui sépare le plus grand rayon de Larmor (ions H+) du plus petit rayon (électrons) car les particules chargées s’enroulent autour de cette frontière selon leur rayon de Larmor (rayon de l’arc de cercle formé par une particule chargée lorsqu’elle est déviée par un champ magnétique, propre a chaque espèce chimique). La magnétopause forme donc une coquille impénétrable aux particules amenées par le vent solaire… ou presque… Les lignes magnétiques partant des pôles, il est normal que le centre de ces pôles soit neutre (toutes les lignes y convergents) et c’est donc ici que la magnétopause admet son point faible : les particules chargées arrivant vers ces zones, elles vont se précipiter a l’intérieur de ces « cornets » (appelés Polar Crubs) et ainsi passer à travers ce bouclier soit disant impénétrable pour se diriger vers la Terre. Cependant tout n’est pas si simple et la particule va d’abord parcourir un long chemin avant d’arriver (ou non) à sa destination finale qu’est la Terre… C. De l'espace à la Terre, les mouvements complexes des particules à l'intérieur de la magnétosphère : En effet, cela se complique quand on sait que pour chaque particule chargée différente, et avec un angle « d’injection » dans la magnétosphère différent, on a un « trajet » de la particule suivant les lignes magnétiques très différent. On appelle ces zones les « Ceintures de Van Allen » qui sont en fait des coquilles représentant le trajet d’une particule précise selon l’influence du champ magnétique terrestre. Une partie de ces particules va être piégé dans des coquilles dites fermées, c'est-à-dire qui partent et reviennent de la terre tout en étant continues et relativement proches de la surface du globes (c’est le cas des ceintures situées du côté « soleil » de la terre), et donc va revenir à la surface du globe au bout d’un moment. Mais la plupart de ces particules chargées vont être injectées dans coquilles dites ouvertes qu’on pourrait qualifier « d’infini » : elles partent de la terre et suivent les lignes magnétiques qui s’éloignent fortement de la terre , ce qu’on appelle les « lobes » et qui créent une lame neutre, expliquée en première partie. Durant une quarantaine d’années on a observé que le plasma intra magnétosphérique (ce qui désigne l’ensemble de la matière chargée présente entre la Terre et la limite de sa magnétosphère) était animé d’un mouvement de convection qu’on a pu schématiser en simplifiant.
Il y a donc une grosse part du vent solaire ayant pénétré la magnétosphère qui ne rejoint jamais la Terre et qui suit un mouvement de convection à l’intérieur de la magnétosphère. Les particules chargées suivent donc ces lignes magnétiques qui, au niveau des lobes, sont très proches mais de sens opposé ce qui crée donc cette couche de vide. Cependant quelques perturbations (comme un trop gros afflux d’un ions ou au contraire une carence d’une certaine particule) peuvent modifier très légèrement le trajet, qui était jusqu’alors linéaire, des particules. Il se peut alors qu’un flux d’ions « positifs » rencontrent un flux d’électrons dans le même sens ; il y a alors une reconnexion des lignes magnétiques (une nouvelle « boucle » se forme, nettement plus petite que l’ancienne) qui va chauffer et donc accélérer grandement la vitesse des particules chargées. Elles vont être alors précipitées vers la Terre à très grande vitesse et, à l’approche des cornets polaires où elles vont s’engouffrer, elles vont subir ce qu’on appelle une « dérive en longitude » : les particules s’enroulent en effet autour des lignes de champs magnétiques qui vont se resserrer en approchant les pôles, le Rayon de Larmor de la particule va alors être plus grand que l’écart entre deux lignes de champs et la particule va alors « sauter » d’une ligne à l’autre en tournant autour du pôle tout en se dirigeant à l’intérieur du cornet. C’est ce phénomène qui explique qu’on puisse voir des aurores en pleins jours, même si la probabilité est très faible.
Une petite partie des électrons et des ions amenés par le vent solaire va alors s’engouffrer dans l’atmosphère au niveau des pôles pour provoquer un sous orage magnétosphèrique en haute altitude : L’Aurore Boréale (ou Australe). III. Un phénomène particulier à l'intérieur de l'atmosphère : les aurores polaires : A. Les mécanismes dans l'atmosphère : Les particules chargées provenant du vent solaire pénètrent dans l’atmosphère au niveau des pôles car elles sont attirées du fait de leur charge. Lorsque les particules du vent solaire pénètrent dans l’atmosphère et plus majoritairement dans la ionosphère (entre 70 km et 750 km d’altitude), elles entrent en collision avec les composants de celle-ci. Lors de cette collision les particules solaires cèdent de l’énergie aux différents atomes qui composent l’atmosphère ce qui les rend dans un état « excité et ionisé » : c’est la désactivation collisionnelle. Cet état excité est très court et ne dure que quelques millionièmes de secondes. Pour retrouver un état normal ces atomes excités vont émettre une lumière. Cette désexcitation par l’émission d’une lumière est à l’origine des spectres de lumières émis lors des aurores polaires. B. Les aurores boréales et australes : 1°) Caractéristiques : Les aurores boréales sont les aurores polaires qui se trouvent au Nord alors que les aurores australes sont les aurores polaires qui se trouvent au sud. A chaque fois qu’une aurore boréale se produit dans l’hémisphère Nord il y a une aurore australe qui se produit aussi dans l’hémisphère sud cependant leurs intensités seront différentes. Les aurores polaires possèdent des cycles de11 ans ce qui est en adéquation avec le cycle des grandes éruptions solaires. 2°) Lieu de formation : Les aurores polaires les plus visibles se forment essentiellement au niveau de l’ovale auroral car la magnétosphère est à basse altitude. Cette zone délimite les régions proches des pôles et fait un cercle d’un rayon de 2000 km d’envergure en période de soleil calme(peu d’éruption) alors qu’il tend à s’étendre et s’excentrer en période de soleil actif(beaucoup d’éruption). Les aurores les plus visibles se manifestent généralement entre 100 km et 200 km car c’est à cette altitude que l’intensité lumineuse est la plus importante. 3°) Les couleurs des aurores polaires : La couleur étant liée à la longueur d’onde elle sera donc liée au type d’atome ou de molécule qui émettra le spectre. La couleur varie aussi en fonction de l’altitude car la proportion des atomes pouvant être excités varie selon l’altitude. Rappelons que le domaine du visible pour l’homme se situe entre 400 nanomètres et 800 nanomètres et que sous 400 nm, c’est le domaine de l’ultraviolet et qu’au-dessus de 800 nm c’est le domaine des infrarouges. De ce fait beaucoup des émissions étant faites dans le domaine de l’invisible peu des aurores polaires sont observables à l’œil. Rappelons que l’atmosphère est composée à 79% d’azote et à 20% d’oxygène. De ce fait les principales émissions dans le visible sont faites par :
Les aurores polaires de couleur jaune vert ou rouge foncé sont dues à l’oxygène, alors que celles de couleur rouge ou bleu violette sont dues à l’azote. 4°) Les différentes formes des aurores polaires :
C. Les aurores sur les autres planètes : Le phénomène des aurores polaires ne peut se produire qu’en présence d’atmosphère et de champ magnétique. Si une planète possède ces deux conditions alors il peut se produire une aurore : c’est le cas de Jupiter et de saturne. Ce phénomène est donc possible sur d’autres planètes. Conclusion : La découverte puis la compréhension des aurores boréales et polaires en termes scientifiques nous a permis de faire une grande avancée technologique sur le plan de la connaissance de l’espace. En effet, comme nous l’avons expliqué, les aurores sont directement produites par l’intéraction entre le vent solaire et les différentes « sphères » liées à la Terre : l’atmosphère et la magnétosphère. L’étude de ce phénomène très particulier nous a fait comprendre, du moins en grande partie, ce qu’était le vent solaire, sa composition et son origine, mais aussi ce qu’il en advenait en traversant la zone inter-stellaire et lorsqu’il rencontrait l’environnement proche de la Terre puis à l’intérieur de celle-ci. Grâce à de nombreux satellites, les centres spatiales ont réussi, avec la compréhension toute nouvelle de l’espace que nous a apporté l’étude de ces aurores, à mettre en place une sorte de carte spatiale comprenant tout les diverses phénomènes complexes qui affectent notre système solaire. Mais même si le progrès que les grandes institutions en aérospatial (comme la NASA) ont fait nous a permis une étude encore plus approfondie de notre univers, il reste encore de très nombreuses choses que nous sommes complètement incapables d’expliquer et même d’autres dont nous ne soupçonnons pas l’existence. Notre univers nous réserve encore une infinité de surprises et de révolutions à faire, une source de recherche inépuisable pour tout les plus grands scientifiques, mais aussi une niche extrêmement vaste où notre imagination peut dériver sans limite… Bibliographie :
Annexe
Cartes représentant les isochasmes : lignes de même fréquence d'apparition des aurores boréales.
Les couleurs associées aux longueurs d'onde
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