LESIA - Observatoire de Paris

Présentation générale des aurores polaires

jeudi 22 janvier 2009, par Renée Prangé et Laurent Pallier

 Historique

Les aurores polaires constituent probablement l’un des plus impressionnant spectacle de la nature. Observées depuis longtemps par les peuples nordiques comme le relatent leurs légendes, ce phénomène naturel, observable depuis les hautes latitudes, n’a pas été étudié par les Grecs de l’Antiquité. Seul Pythéas, le navigateur phocéen du 5ème siècle avant notre ère, a observé des aurores boréales lors de son voyage en mer du Nord.

Il faut attendre le 18ème siècle pour que des tentatives d’explication scientifique du phénomène soient proposées. La présence d’émissions aurorales autour du pôle nord magnétique suggère une relation avec le champ magnétique terrestre et un lien fut établi entre magnétisme terrestre et activité solaire. En 1879 H. Becquerel propose une explication par la précipitation de particules chargées originaires du soleil guidées par le champ magnétique terrestre jusqu’aux régions aurorales.

Photo de Philippe Moussette

Des observations réalisées par K. Birkeland en 1902 et 1903 au nord de la Norvège ont montré que des courants électriques circulant le long des lignes de champ magnétique pouvaient être à l’origine des aurores. Les phénomènes de luminescence et la déviation des faisceaux de particules par des champs électriques et magnétiques dans les tubes de Crookes ont renforcé ces premières hypothèses et ont initié des expériences de laboratoire à la fin du 19ème siècle. (voir la Terrella de Birkeland.)

Au début du 20ème siècle, A. Kennelly et O. Heaviside ont postulé l’existence de l’ionosphère, couche supérieure ionisée et conductrice de l’atmosphère terrestre, pour expliquer les transmissions radio transatlantiques. Son existence fut établie et son altitude mesurée dans les années 1920 par l’envoi d’impulsions radio à incidence verticale, tandis que les émissions aurorales visibles ont été identifiées par spectroscopie par H. Babcock. J. Mac Lennan a montré par exemple que la raie jaune-verte à 557,7 nm est due à une transition métastable de l’oxygène atomique. Une autre transition métastable de l’oxygène atomique produit une raie rouge à environ 250 km d’altitude. Ces découvertes ont montré que ces raies étaient émises à des altitudes différentes, sous l’impact de particules plus ou moins pénétrantes dans la haute atmosphère. L’identification de protons comme particules responsable d’émissions aurorales a été réalisée en 1939 et la mesure, depuis le sol, du décalage Doppler associé a permis d’évaluer l’énergie de ces particules.

Pour expliquer les perturbations du champ magnétique au sol, S. Chapman suggère, en 1918, la présence d’un faisceau de particules chargées en provenance du Soleil et propose une compression des lignes de champ du dipôle terrestre côté jour. L’obstacle crée par la Terre devant ce faisceau y creuserait une cavité plus ou moins étendue en fonction de l’énergie des particules incidentes. L’écoute des signaux radio naturels dans les années 1920 et 1930 a montré l’existence de modes ``sifflements’’ qui semblaient provenir du proche environnement terrestre et L. Storey a montré au début des années 1950 que ces ondes trouvaient leur origine dans l’ionosphère.

Après la seconde guerre mondiale, l’utilisation de fusées va permettre l’étude in-situ de la haute atmosphère terrestre : nature des particules précipitées, énergie, flux, émissions visibles, UV, radio... L’altitude atteinte dans un premier temps permet l’exploration jusqu’à 100 km. En 1957, une coopération internationale est lancée à l’occasion de l’année géophysique internationale.

Les recherches doivent permettre l’étude in-situ de l’environnement terrestre qui demeure totalement inconnu au-delà de l’ionosphère. C’est dans ce cadre qu’à lieu, en octobre 1957, le lancement du premier satellite artificiel Spoutnik 1 suivi quelques semaines plus tard par Explorer 1 équipé d’un compteur Geiger-Müller. Cet instrument a permis à J. Van Allen de confirmer l’existence des ceintures de radiation contenant le plasma piégé par le champ magnétique terrestre qu’il avait postulé au début des années 1950.

L’existence du vent solaire a été confirmée par les premières sonde en route vers la Lune. Des sondes spatiales en orbite autour de la Terre (Explorer, OGO...) dans les années suivantes ont cartographié la magnétosphère terrestre et ont mis en évidence son interaction avec le vent solaire. L’influence de phénomènes actifs dans la queue de la magnétosphère sur les aurores polaires a été mise en évidence lors des phénomènes de sous-orages magnétosphériques. Les régions aurorales sont situées au pied des lignes de champ magnétique qui s’étendent à grande distance dans la magnétosphère.

L’étude des émissions visibles, UV, radio, qui s’y produisent permet donc de connaître les phénomènes qui se déroulent dans la magnétosphère.

Des sondes spatiales sont allées explorer l’environnement des autres planètes du système solaire au cours des quatre dernières décennies du 20ème siècle. Mariner, Venera, Pioneer Venus et Phobos dans les années 1960 à 1980 ont montré que seule, parmi les planètes telluriques, Mercure possède avec la Terre un champ magnétique intrinsèque susceptible de former une magnétosphère.

Mercure est dépourvue de toute atmosphère dense, et les émissions aurorales qui s’y produisent ne sont donc pas du même type que celles de la Terre. Dans les années 1950, l’observation de Jupiter dans le domaine radio a mis en évidence des émissions dont l’intensité était modulée par la position du satellite galiléen Io. Celles-ci ne pouvaient s’expliquer que par des particules chargées se propageant dans un champ magnétique.

Les sondes Pioneer 10 et 11, en survolant Jupiter en 1973 et 1974, confirmèrent la présence d’un champ magnétique intense crée par la planète. Mais c’est en 1979 et 1980 avec les survols des deux sondes Voyager 1 et 2, puis avec le satellite IUE en orbite terrestre que furent découvertes les aurores joviennes dans l’ultraviolet lointain. Des émissions aurorales dans l’infrarouge moyen (émissions thermiques des hydrocarbures et de l’hydrogène moléculaire de 8 à 17 mm) furent mises en évidence par des observations de Jupiter au sol à la même époque. Ces observations, complétées par les mesures in-situ des sondes, ont montré la similitude des phénomènes magnétosphériques et auroraux entre Jupiter et la Terre, malgré des conditions aux limites différentes entre les 2 planètes.

Les autres planètes géantes, Saturne, Uranus et Neptune, visitées par Voyager 2, ont montré également la présence d’une magnétosphère active dans leur voisinage. L’observation des aurores joviennes à haute résolution depuis la Terre n’a été possible que depuis le début des années 1990 avec la mise en service du télescope spatial Hubble et pour l’étude approfondie de la magnétosphère de Jupiter (du moins dans son plan équatorial) par la mise en orbite de la sonde Galileo en 1995.