Photo d’aurores polaires.
On rencontre typiquement les aurores polaires au niveau des pôles de la Terre, mais parfois, ceux-ci peuvent descendre à des latitudes plus basses, y compris de façon exceptionnelle en France métropolitaine.

D’où viennent-elles ? Pourquoi elles donnent ces couleurs ? C’est l’objet de cet article.

Définitions

Bien que l’on parle souvent d’aurores boréales, le terme général est plutôt aurores polaires. Boréale signifie simplement le nord, et les aurores boréales sont donc les seules aurores proches du pôle Nord.

Quand les aurores ont lieu au pôle Sud, on parle des aurores australes.

Quant au terme d’aurore lui-même, il vient du latin aurora, qui signifie briller. Une aurore brille dans le ciel. Le terme désigne également les premières lumières du matin (pour la même raison), et se retrouve aussi dans les racines étymologiques de l’or (aurum, en latin), à nouveau parce que ça brille.

Cela ne nous dit d’où elles viennent quand on les voit dans le ciel.

Origine des aurores

Les aurores sont des phénomènes lumineux provenant de l’interaction entre les molécules de l’atmosphère (azote, oxygène, hydrogène…) et les particules libérées par le Soleil lors des éruptions solaires.

Le Soleil, par son activité thermique et magnétique, souffle en permanence des particules électriquement chargées (protons, électrons) dans toutes les directions. On parle du vent solaire. Il lui arrive d’émettre des bourrasques de particules nettement plus fortes qu’à l’habitude. Cela se produit lorsque l’activité magnétique solaire atteint des pics lors des cycles solaires, tous les 11 ans environ. On parle d’orages magnétiques.

Dans ces cas-là, si la bourrasque se dirige vers la Terre, les particules finissent piégés par le champ magnétique terrestre. Elles sont alors déviées le long des lignes de champ. Or, ces lignes pointent vers les régions polaires, où elles concentrent les particules avant de les envoyer sur la haute atmosphère, entre 80 et 1 000 km environ.

C’est pour cette raison que les aurores sont visibles vers les pôles.

Ce sont ensuite les collisions et les interactions entre ces particules solaires et les particules atmosphériques de la Terre qui produisent de la lumière.

D’où viennent leurs couleurs ? Pourquoi y en a-t-il des différentes ?

L’interaction qui a lieu entre les particules chargées du Soleil et l’atmosphère résulte en une excitation des atomes de l’atmosphère. Lorsque les atomes se désexcitent, cela se traduit par la libération d’un photon de lumière.

Chaque gaz produit ainsi son propre spectre de couleurs en réaction à une excitation extérieure.

C’est le principe des enseignes lumineuses en vogue des années 1950-1960, et faites de tubes néon : le néon produit une couleur orange vif en cas d’excitation, alors que l’hélium produit plutôt du blanc, et le xénon du bleu :

Photo de gaz excités par une bobine Tesla.
Excitation de tubes de gaz par un champ électrique (produit par une bobine Tesla) ; de gauche à droite : krypton, xénon, argon, néon, azote, hélium, hydrogène. Chaque gaz a sa propre couleur.

La même chose s’observe dans l’atmosphère. Dans l’atmosphère, on a principalement de l’oxygène (21 %) et de l’azote (78 %). Le reste, moins de 1 % restant, correspond à d’autres gaz (argon, dioxyde de carbone, eau…). Ces gaz sont relativement bien mélangés au niveau sol, mais ce n’est pas forcément le cas en altitude : là, la vitesse thermique des molécules font qu’à certaines altitudes on trouve préférentiellement certains gaz et pas d’autres. De plus, la pression diminue avec l’altitude, ce qui modifie là encore la nature des réactions des molécules de gaz.

Par conséquent, quand les particules solaires arrivent dans l’atmosphère, en fonction du type de choc (élastique, inélastique…), de la vitesse de l’impact et de la molécule heurtée, la réaction n’est pas la même et la lumière émise lors de la désexcitation est différente également.

Ainsi, quand ces interactions ont lieu entre 120 et 180 km, on observe des lumières vertes et rouges à cause de l’oxygène. Quand les interactions ont lieu à plus basses altitudes, l’azote est majoritaire dans l’atmosphère et l’on observe du bleu, rouge et violet.

Tout ceci doit évidemment également se produire la nuit (sinon la lumière du jour masque le phénomène), et lorsque le ciel est dégagé de nuages. Les projections de particules solaires doivent aussi évidemment être faites en direction de la Terre. Cela fait beaucoup de conditions à réunir et l’ensemble reste donc un phénomène assez rare et spectaculaire.

Quelles conséquences pour nous ?

Les aurores, les phénomènes lumineux n’ont pas de conséquences directes sur nous, si ce n’est qu’elles sont jolies, fascinantes et qu’on aime les regarder. Certaines cultures y associent également des croyances : au Japon par exemple, voir des aurores est le signe d’un mariage heureux.

Ce qui peut avoir une conséquence, ce sont les phénomènes qui donnent naissance aux aurores : les vents solaires. Rappelons que ce sont des particules chargées, et donc d’énormes courants électriques. Ces courants produisent des champs magnétiques qui à leur tour vont induire des surtensions dans toutes les structures conductrices sur Terre, et en particulier dans les lignes haute tension longues distances, provoquant des incidents électriques et des coupures. Ce fut le cas par exemple en 1989 au Canada et aux USA, où 6 millions de personnes furent plongés dans le noir durant plusieurs heures.

Le bombardement de particules chargées lui-même peut affecter ou endommager l’électronique parfois fragile, surtout quand ce dernier est utilisé en altitude (avion, montagne) en raison d’une moins grande épaisseur d’atmosphère protectrice.
Les cartes électroniques des satellites ou des sondes spatiales sont d’ailleurs plus robustes et résistantes à tout ça : la gravure des circuits intégrés y est beaucoup moins fine.

Références et liens

image d’en-tête de Bill Devlin

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