De 2013 à 2015, profitez du maximum solaire pour aller à la chasse aux aurores polaires

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

08/09/2014

Résumé

Activité solaire et champ magnétique : le phénomène des aurores polaires (boréales, australes... et joviennes).


Figure 1. Une aurore polaire près de Reykjavik (Islande), 5 septembre 2013

Le temps de pose de cette photo est d'une vingtaine de secondes. La zone lumineuse à gauche correspond aux lumières de Reykjavik. Cette aurore polaire, qu'on peut appeler « boréale » puisqu'on est dans l'hémisphère Nord, montre deux couleurs : (1) une couleur verte, dominante, correspondant à la couleur émise par l'atome d'oxygène qui se désactive et (2) une teinte rouge rosée en haut à gauche, correspondant à la couleur de désexcitation de l'atome d'azote. Temps de pose : 20 s, focale de 50 mm.


Figure 2. Aurore polaire près de Reykjavik (Islande), 5 septembre 2013, autre vue

Même aurore que sur la figure précédente, prise à un autre moment. Temps de pose : 30 s, focale de 17 mm.


Figure 3. Montage, à la manière d'un film, de 15 ivmages de cette aurore du 5 septembre 2013 près de Reykjavik (Islande)

Chaque image a été acquise avec un temps de pause de 20 secondes et il y a 35 secondes de délai entre le début de chaque prise de vue. Le montage fait défiler les images au rythme de 3 images à la seconde. Une seconde de film correspond donc à 3 x 35 ≈100 secondes réelles. Le mouvement apparent des draperies aurorales est donc accéléré 100 fois, et les 6 s du film correspondent donc à ~600 s (10 min).


Les aurores polaires (boréales et australes) ont lieu quand des « rafales » de vent solaire atteignent la Terre. Le vent solaire est constitué de particules, électrons et ions positifs (essentiellement ions hydrogène et hélium) éjectés du Soleil à une vitesse allant de 400 à 800 km/s, mais pouvant atteindre 2500 km/s lors des éruptions solaires. Ces particules sont naturellement déviées par le champ magnétique terrestre, mais certaines peuvent atteindre la haute atmosphère au niveau des pôles magnétiques lors d'une "rafale" puissante liée à une éruption. Ces particules excitent alors les molécules et atomes de la haute atmosphère, principalement azote et oxygène, qui se désexcitent en émettant leur couleurs caractéristiques de désexcitation, rose pour l'azote et verte pour l'oxygène en ce qui concerne la lumière visible.

Les aurores polaires sont assez fréquentes pendant les périodes de Soleil actif, plus rares en période de Soleil calme. Or l'activité du Soleil varie avec un rythme moyen de 11 ans, en fait allant de 9 à 14 ans. L'avant dernier maximum a eu lieu en 2001, et 2014 correspond au maximum suivant (en retard de 2 ans par rapport à la moyenne, mais restant "dans les clous"). Normalement le nombre des aurores devrait commencer à décroître à partir de 2015, pour atteindre un minimum vers 2020. Si donc vous cherchez un but pour vos prochaines vacances (en dehors des mois de mai, juin et juillet ou la brièveté/inexistence des nuits rend difficile l'observation des aurores), choisissez donc les hautes latitudes (> 60° : Islande, Scandinavie, Canada…). Les6 premiers clichés et montages ont été réalisés par Patrick Pelletier lors d'un voyage organisé par l'AFA en septembre 2013 en Islande, justement pour profiter du maximum 2013-2015. Les trois photographies suivantes ont été prises par Anette Bjørnsen en février 2013 aux îles Lofoten (Norvège), non pas à l'occasion d'un voyage organisé astronomique, mais lors de ballades à ski. On peut voir d'autres photos d'Annette Bjørnsen sur sa page Nordlyyyys. Suite à la publication de cet article, de nouvelles mages nous sont parvenues, 4 clichés de Martine Braem pris en mars 2004 près d'Ivalo en Laponie finlandaise ont été sélectionnés (et ajoutés le 5 janvier 2015). Merci aux photographes de nous avoir autorisé à diffuser leurs clichés.

En plus de ces images et films "privés", trois schémas expliquent brièvement le phénomène des aurores polaires, puis nous vous proposons ensuite quatre images d'aurores prises depuis l'espace, deux concernant la Terre, et deux Jupiter.

Figure 4. Une autre aurore polaire photographiée ce même 5 septembre 2013 dans la région de Reykjavik

Temps de pose : 30 s, focale de 50 mm.


Figure 5. Autre aurore polaire photographiée ce même 5 septembre 2013 dans la région de Reykjavik, autre vue

Temps de pose : 29 s, focale de 17 mm.


Figure 6. Montage de 45 images de cette seconde aurore polaire du 5 septembre 2013 près de Reykjavik (Islande)

Chaque image a été acquise avec un temps de pause de 20 secondes et il y a 35 secondes de délai entre le début de chaque prise de vue. Le montage fait défiler les images au rythme de 3 images à la seconde. Une seconde de film correspond donc à 3 x 35 ≈100 secondes réelles. Le mouvement apparent des draperies aurorales est donc accéléré 100 fois, et les 15 s du film correspondent donc à ~1500 s (25 min).




Figure 9. Aurore boréale prise en février 2013 aux îles Lofoten (Norvège)

On peut reconnaître les Pléiades derrière cette aurore.


Figure 10. Aurore boréale prise en mars 2004 près d'Ivalo (Laponie finlandaise)

Temps de pose : 6 s, focale de 7,1 mm.


Figure 11. Aurore boréale prise en mars 2004 près d'Ivalo (Laponie finlandaise)

Temps de pose : 6 s, focale de 7,1 mm.


Figure 12. Aurore boréale prise en mars 2004 près d'Ivalo (Laponie finlandaise)

Temps de pose : 6 s, focale de 7,1 mm.


Figure 13. Aurore boréale prise en mars 2004 près d'Ivalo (Laponie finlandaise)

Temps de pose : 13 s, focale de 7,1 mm.


Figure 14. Coupe des 400 premiers kilomètres de l'atmosphère terrestre montrant la localisation des aurores polaires

Les aurores polaires se situent entre 100 et 200 km d'altitude dans la très haute atmosphère.


Figure 15. Schéma très simplifié expliquant la formation des aurores polaires

La très grande majorité des particules du vent solaire (ligne jaune) est déviée par le champ magnétique terrestre et bien peu arrivent directement au niveau des pôles (la trajectoire des rares qui y arrivent est dessinée en pointillés). Parmi les particules déviées à l'opposé du Soleil du côté "nuit" de la Terre en suivant la « queue magnétique » , un grand nombre peut suivre un trajet complexe et revenir vers la Terre, où elles sont dirigées vers les pôles magnétiques. Toutes ces particules ne vont pas exactement aux pôles magnétiques ; elles se répartissent en fait sur un anneau auroral situé entre 10° et 20° autour des pôles magnétiques, anneau sous lequel la majorité des aurores est visible. En cas de très forte éruption solaire, la zone des aurores peut largement dépasser cet anneau.


Figure 16. Évolution du nombre de taches visibles à la surface du Soleil ces 20 dernières années, jusqu'en juillet 2014

Chaque point noir correspond à une mesure. Le trait rouge à la moyenne des 6 mois précédents et des 6 mois suivants, ce qui lisse les variations rapides. Ce nombre de taches, qui varie de 0 à 250, traduit en fait l'activité du Soleil : Soleil calme quand il y a peu de taches, Soleil actif quand il y en a beaucoup. Cette activité solaire varie avec un rythme moyen de 11 ans, en fait allant de 9 à 14 ans. Ces cycles sont numérotés à partir du minimum de 1760, considéré arbitrairement comme le début du cycle 1. On est actuellement au maximum du cycle 24. Ce maximum est assez faible, et a eu lieu 13 ans après le dernier maximum (2001). Si le Soleil se comporte dans les années qui viennent comme il le fait depuis 250 ans, son activité va décroître, ainsi que le nombre et l'intensité des aurores polaires. Une bonne raison d'aller passer ses prochaines vacances (en dehors des mois de mai-juin-juillet) dans les hautes latitudes pour profiter du spectacle, qui va devenir de plus en plus rare pour les 5-6 ans à venir.


Figure 17. Aurore boréale photographiée depuis la station spatiale internationale le 24 mai 2010

La station spatiale internationale orbite à environ 400 km d'altitude, alors que les aurores polaires ont lieu vers 100 à 200 km.


Figure 18. Montage d'une image réelle d'aurore polaire (ici australe) obtenue le 11 septembre 2005 par le satellite IMAGE superposée à une mosaïque d'images satellitales classiques centrée sur le pôle Sud

L'anneau (ou l'ovale) auroral est particulièrement visible. Le satellite IMAGE (Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration) photographie les aurores dans le domaine de l'ultra-violet. Pour la beauté de l'image, l'intensité de l'émission UV a été traduite par des couleurs vertes rappelant ce que voit l'œil humain.


Figure 19. Aurore polaire sur Jupiter, vues par le télescope spatial en longueur d'onde UV

Toutes les planètes ayant un champ magnétique et une atmosphère ont des aurores polaires. C'est le cas, en particulier, de Jupiter, dont le pôle Nord a été photographié le 14 décembre 2000 pendant une belle aurore.


Figure 20. Deux anneaux auroraux simultanés, situés autour des deux pôles magnétiques Nord et Sud de Jupiter

Comme le télescope spatial (en orbite autour de la Terre) voit Jupiter de très loin, il peut découvrir "d'un simple coup d'œil" les deux anneaux auroraux situés simultanément autour des deux pôles magnétiques Nord et Sud.


Pour en savoir plus sur le phénomène des aurores polaires, un document de Frédéric Pitout (de l'IRAP), intitulé Les aurores polaires, quand le Soleil courtise l’atmosphère , est mis à disposition sur le site de la Société d'astronomie populaire (Toulouse).