Les aurores polaires

Aurore australe vue depuis la navette spatiale Discovery, en 1991. (Source : NASA).

La nature des aurores polaires est longtemps restée assez mystérieuse. La direction constante de leurs arcs, par rapport au méridien magnétique, et les perturbations violentes qu'elles apportent pendant toute leur durée dans la direction de l'aiguille aimantée, leur ont fait certes attribuer assez tôt une origine électrique. Mais à quelle altitude avaient-elles lieu? Quels mécanismes étaient-ils à l'oeuvre? On sait aujourd'hui que ces lueurs sont en relation avec les interactions entre le vent solaire et le champ magnétique de la Terre. Elles résultent de l'afflux massif de particules électriquement chargées (électrons et protons surtout) soufflées par le Soleil lors de ses éruptions chromosphériques et qui, canalisées par le champ magnétique terrestre, frappent la haute atmosphère terrestre généralement à des altitudes qui se situent autour d'une centaine de kilomètres, mais qui peuvent atteindre  jusqu'à 800 km - là où il n'y presque plus aucun atome à ioniser! - comme l'a montré en 2003  le satellite militaire Solar Mass Ejection Imager), dans les régions proches des pôles magnétiques, Nord et Sud. Se produisant simultanément dans les deux hémisphères, le maximum d'intensité des aurores a lieu le long d'un anneau en forme d'ellipse, l'ovale auroral, centrée sur chacun des pôles magnétiques et dont le rayon est d'une vingtaine de degrés. 

La première aurore australe qui ait été aperçue l'a été en 1773 par Cook qui se trouvait alors vers 60° de latitude Sud. Il résultera ensuite que les aurores se montrent fréquemment autour du pôle Sud de la Terre : certaines aurores, comprend-on, se forment au même moment autour du pôle Nord et du pôle Sud. Loomis publiera ainsi en 1861 un catalogue des aurores boréales observées à Christiania et des aurores australes observées à Stobarton (île de Diemen) dans lequel cette coïncidence se vérifie. Certains auteurs affirment même vers cette époque que l'on peut observer des aurores boréales depuis l'hémisphère Sud et des aurores australes depuis l'hémisphère Nord. Dalton, par exemple, affirme avoir observé plusieurs fois des aurores australes en Angleterre; d'autre part, le capitaine Lafond se trouvant par 45° de latitude Sud a vu, dit-il, une aurore boréale.

Aurore saturnienne. (Source : JPL / HST).

Avant que ce météore ait été complètement connu, admiré pour sa beauté et pour le bienfait de sa brillante illumination pendant les longues nuits polaires, il était en Europe un sujet d'épouvante. Dans l'Antiquité et au Moyen âge, ces flammes rouges, ces rayons, paraissaient des torches et des épées teintes de sang. L'imagination créait tantôt une immense mêlée où combattaient des hommes de feu, tantôt un assemblage de têtes hideuses secouant leurs chevelures flamboyantes. On eut aussi trouver des témoignages anciens bien plus sobres. E. Biot, qui a recherché dans les textes chinois la première mention positive d'aurore boréale, l'a trouvé en l'an 208 avant notre ère. (Comptes rendus des séances de l'Académie des sciences, XIX, 822). Ces météores, note Biot, se produisaient dans ces temps reculés, comme de nos jours, le sommet de l'arc se trouvant vers le Nord. Bien que la Grèce et l'Italie soit un pays où on les voit rarement, on trouve aussi dans divers auteurs de l'Antiquité méditerranéenne des indications d'aurores, telles celles-ci puisées chez Pline  : « On a vu, pendant la nuit, sous le consulat de C. Caecilius et Cn. Papirius (an de Rome 641) et d'autres fois encore, une lumière se répandre dans le ciel, de sorte qu'une espèce de jour remplaçait les ténèbres. » [...] « Un bouclier ardent, jetant des étincelles, a traversé le ciel de l'occident à l'orient, au moment du coucher du soleil, sous le consulat de L. Valerius et de C. Marius (an de Rome 634). » (Pline, liv. Il, chap. XXXIII et XXXIV).  Quelques siècles plus tôt, Aristote, s'était déjà livré dans ses Météorologiques à un essai d'explication : « On voit parfois, écrit-il pour commencer, au cours d'une nuit claire, se former des apparitions de diverses sortes dans le ciel : des gouffres (chasma), par exemple, des trous, et des couleurs semblables à du sang.-» Aristote poursuit en attribuant à ces phénomènes la même cause qu'aux étoiles filantes dont il a parlé dans les paragraphes précédents : ils correspondraient à une inflammation de l'air.  « Il est manifeste, en effet, que l'air supérieur se condense de façon à être inflammable, et que la combustion prend tantôt l'aspect d'une flamme brûlante, tantôt celui de torches mouvantes et d'étoiles filantes, il n'y a rien d'étonnant que ce même air, quand il se condense, présente une grande variété de couleurs. Car une faible lumière transparaissant à travers un air plus dense, et l'air subissant une réflexion, engendreront toute espèce de couleurs, principalement l'écarlate et le pourpre car ces couleurs apparaissent surtout quand on mélange la couleur de feu et la couleur blanche par juxtaposition. » Une explication qui vaut aussi, selon cet auteur pour la couleur des astres à leur lever et à leur coucher, qui par temps chaud ou à travers la fumée, paraissent écarlates. Cette optique toute aristotéliciennes s'exprime également dans la description des autres caractéristiques attribuées aux aurores :  « Les gouffres paraissent avoir une certaine profondeur du fait que la continuité de la lumière est rompue par du bleu et du noirs. Souvent de ces gouffres il jaillit aussi des torches, quand la condensation s'accroît, Quand le gouffre se resserre, il présente l'apparence d'un sillon. D'une manière générale, le blanc dans le noir produit une grande variété de couleurs, tout comme, par exemple, la flamme dans la fumée. » (Traduction : J. Tricot, Libr. Phil.Vrin, 1976). - Une aurore observée à Nuremberg en 1591. (Source : Franck Pettersen Aurora Borealis Pages). On doit attendre le  XVIIe siècle pour que de nouvelles approches voient le jour, avec Galilée, et surtout Gassendi, qui paraît être le premier qui ait observé scientifiquement ce météore. C'est lui, de plus, qui l'appela aurore boréale. On a depuis lui émis bien des idées sur les causes de sa formation; c'est ainsi que l'on eut recours à des exhalaisons s'élevant du sol des régions polaires et fermentant en dégageant de la lumière. Certains physiciens ont fait intervenir la réflexion et la réfraction de parcelles de glace en suspension dans l'air. Halley supposait un courant de fluide magnétique s'échappant de la Terre par le pôle Nord. De Mairan attribue les aurores à une vapeur lumineuse enveloppant le Soleil et venant jusqu'à la Terre qui en emporte une partie. Cette théorie, curieusement proche dans son apparence avec celle qui est admise aujourd'hui, fut développée avec beaucoup d'art et admise assez longtemps. En 1740 Celsius et Hiorter découvrent l'influence de l'aurore sur l'aiguille aimantée. Vinrent ensuite Eberhart et Frisi qui comparèrent sa lumière avec celle des décharges électriques dans le vide. C'est vers cette époque que Franklin essaya de faire une théorie électrique de ce phénomène; Humboldt considérait ce météore comme la résolution des orages magnétiques qui agitent les aiguilles des boussoles. Morlet  fera faire un nouveau pas à la question en 1819 :  « L'observation des traits de lumière qui se meuvent de bas en haut avec une grande vitesse, dans une direction parallèle à celle du magnétisme terrestre, prouve, écrit-il, que, pendant la durée des aurores boréales, il existe dans les hautes régions de l'atmosphère un fluide lumineux qui est repoussé par le magnétisme boréal de la Terre. La région atmosphérique où se développe cette matière aurorale lumineuse peut donc être considérée comme servant de base aux rayons auroraux qui s'en échappent continuellement, en vertu de l'action exercée sur leurs molécules par la force répulsive du magnétisme terrestre. Quant à l'origine de cette matière lumineuse, il paraît naturel de l'attribuer au fluide électrique contenu dans l'atmosphère et qui à de grandes hauteurs, où l'air est très raréfié, doit devenir lumineux comme sous le récipient de la machine pneumatique et dans le vide barométrique. Cette hypothèse atteindrait une grande probabilité si l'on parvenait à prouver, par des expériences directes, que le magnétisme exerce une influence sur la lumière électrique. » Les aurores boréales, ingrédients obligés de l'imagerie arctique... Dans les dernières décennies du XIXe siècle, d'autres opinions sont émises. Elles se placent en général dans la perspective ouverte par Morlet, et  mêlent volontiers électricité atmosphérique, particules de glace en suspension dans l'air (cirrus), ainsi que les vents (contre-alizés). Edlund publiera en 1878 une  intéressante théorie des aurores, qu'il résume dans les lignes suivantes : « Les molécules électriques qui se trouvent à la surface de la Terre ou au-dessous sont conduites, par la force d'induction unipolaire terrestre, dans l'atmosphère, où elles s'accumulent jusqu'à atteindre une certaine densité, dépendant de la plus ou moins grande quantité des couches d'air. Ce n'est que successivement, que, poussées, par la même force, elles arrivent dans les couches supérieures de l'atmosphère, douées d'une conductibilité très grande, mais certainement moindre que celle des métaux. En même temps que les molécules électriques s'élèvent au-dessus de la surface terrestre, elles sont transportées, dans les deux hémisphères, des latitudes inférieures vers les latitudes supérieures où la densité électrique va en conséquence toujours en augmentant. Les forces tendant à conduire les molécules électriques dans le sens vertical et horizontal sont très faibles au-dessus et au tour des pôles magnétiques, et par suite la densité électrique des couches supérieures de l'atmosphère atteint un maximum de valeur à une certaine distance de ces pôles. Ce maximum de densité électrique formé une ceinture enfermant dans l'hémisphère Nord tant le pôle magnétique que le pôle astronomique, et il en est sans doute do même dans l'hémisphère Sud. »  Puis Nordenskjöld discutera le résultat de ses observations dans le détroit de Béring (1883). Et l'on citera encore les expériences de Lemström  (1883), puis de de la Rive pour imiter les aurores boréales. Les études spectroscopiques et polarimétriques des aurores, entamées dès la fin du XIXe siècle, vont progressivement modifier ce schéma essentiellement météorologique. Ainsi, des expériences conduites vers 1903 par Kristian Birkeland sur les faisceaux d'électrons le conduisent-ils à supposer que les aurores sont produites par des électrons en provenance du Soleil. Une idée qui sera reprise et amendée au début des années 1930, par Sydney Chapman et Vincent Ferraro qui voient plutôt à l'origine des aurores des nuages de plasma soufflés par le Soleil et qui viendraient envelopper la Terre. Il faudra finalement attendre milieu du XXe siècle, quand l'envoi de ballons stratosphériques puis de fusées commencera à à fournir une meilleure connaissance de la haute atmosphère terrestre et de la magnétosphère de notre planète, pour que les aurores polaires commencent à être comprises dans la perspective actuelle. (Joannis).

En principe des aurores peuvent se produire à n'importe quelle heure de la journée - elles dépendent de l'humeur du Soleil et non de celle de nos horloges. En pratique, cela est surtout vrai lors des grandes crises. Pendant les périodes plus calmes, l'orientation de la Terre au fil de son mouvement diurne joue également un rôle, du fait de la dissymétrie de sa magnétosphère selon l'axe jour-nuit. Cependant une chose est sûre, c'est seulement quand la nuit est la plus noire  que l'on peut espérer observer le phénomène. 

Voici, d'après les témoignages de Lottin et Becquerel (Traité de météorologie) qui, en 1838 et 1839, ont observé 143 aurores en 206 jours passés à Bossekop, sur la côte occidentale de la Laponie norvégienne, par 70° de latitude, l'aspect  que présente ce météore : 

Le soir, entre quatre et huit heures, la brume légère qui règne presque habituellement au Nord, à la hauteur de 4 à 6°, se colore à sa partie supérieure, ou plutôt se frange des lueurs de l'aurore qui existe derrière. Cette bordure devient de plus en plus régulière et forme un arc vague d'une couleur jaune pâle aux  bords diffus, tournant sa concavité vers le sol, dont le sommet se trouve sensiblement dans le méridien magnétique, et dont les extrémités s'appuient sur les terres. Bientôt des stries noirâtres séparant régulièrement la mature lumineuse de l'arc qui s'élève lentement. Il se forme des rayons qui s'allongent, se raccourcissent lentement ou instantanément; ils dardent, augmentant ou diminuant subitement d'éclat. Les pieds de ces rayons offrent toujours la lumière la plus vive et forment un arc plus ou moins régulier. La longueur de ces rayons est très variée, mais tous convergent vers un même point du ciel indiqué par le prolongement du pôle austral de l'aiguille d'inclinaison. Parfois les rayons se prolongent jusqu'à leur point de concours et figurent ainsi une immense coupole lumineuse. L'arc continue de monter vers le zénith; il éprouve un mouvement ondulatoire dans sa lueur, l'éclat de chaque rayon augmentant successivement d'intensité. Parfois un de ses pieds, ou tous les deux, abandonnent l'horizon; l'arc ne forme plus qu'une longue bande ne rayons qui se contourne et se sépare en plusieurs parties en formant des courbes gracieuses qui se referment presque sur elles-mêmes et offrent n'importe dans quelle partie de la voûte céleste ce que l'on a nommé des couronnes boréales.  L'éclat des rayons, variant subitement d'intensité, atteint celui des étoiles de première grandeur; ces rayons dardent avec rapidité, les courbes se forment et se déroulent comme les replis d'un serpent; puis les nappes se colorent, leur base est d'un rouge de sang clair, le milieu d'un vert émeraude pâle, et leur bord supérieur, comme la bande à laquelle elles paraissent suspendues, conserve la couleur jaune pâle. De nouveaux arcs se succèdent à l'horizon; on en a compté jusqu'à neuf : ils se serrent les uns contre les autres et vont disparaître vers le Sud. Quelquefois la masse des rayons qui ont déjà dépassé le zénith magnétique paraît venir du Sud et se réunissant avec deux du Nord donne la véritable couronne, ayant une forme ordinairement elliptique, rarement circulaire. Il arrive que cette couronne se forme aussi sans aucun arc préalable. La couronne s'affaiblit ensuite, les arcs pâlissent avant d'avoir atteint l'horizon du Sud, les rayons forment des lueurs pâles qu'on a désignées sous le nom de plaques aurorales; ils deviennent vagues et finissent par se confondre avec les nuages [a].

Une aurore diffuse au sud de l'Australie
(Source : Noaa Photo Library; (c) David Miller, NGDC).

La nature de sa lumière

La lumière des aurores est assez pâle pour rendre délicates les observations, cependant on peut la décomposer par un prisme ou un réseau et voir qu'elle donne un spectre à raies. La raie la plus remarquable  se situe dans le jaune vert (longueur d'onde = 5577 angströms). C'est de beaucoup la plus brillante même quand l'aurore paraît très rouge. Lorsque les aurores sont plus fortes on voit d'autres raies dans le bleu et une raie rouge (longueur d'onde autour de 6300 angströms). 

Les premières recherches sur ce sujet remontent aux travaux de Angström, en 1868. Selon lui, la lumière de l'aurore boréale est presque monochromatique, elle se compose souvent de la seule raie jaune vert. Cette raie, note-t-il, ne coïncide pas avec les raies fournies par les gaz traversés par les étincelles électriques, mais semble correspondre à une raie qui existe dans la lumière zodiacale. De là, il  conclura que la lumière des aurores peut provenir de deux sources, l'une analogue à la lumière zodiacale, l'autre analogue à celles des décharges électriques passant dans les gaz raréfiés. Les raies, autres que la raie jaune vert pouvaient en effet, expliquait-il, être attribuées à l'air. D'après Vogel, la raie jaune vert la plus brillante appartenait plutôt à l'azote, ainsi d'ailleurs que toutes les autres, à l'azote. Ces conceptions ont largement évolué depuis notamment grâce à la découverte et à l'identification par Ira Bowen (1928) des raies interdites, qui sont des raies absentes des spectres obtenus en laboratoire, mais caractéristiques des gaz très dilués dans le vide spatial. A cause de ces raies interdites, les malentendus occasionnés par le spectre des aurores polaires était encore plus profond à propos des nébuleuses où l'on a longtemps cru pouvoir reconnaître un élément chimique appelé le nébulium, et qui finalement n'existait pas...

Raies du spectre auroral comparé à celles du spectre solaire.
(Source : Noaa Photo Library. Collection du Dr Herbert Kroehl, NGDC).

Voici le tableau des premières raies observées, avec le nom de leur découvreur, et la longueur d'onde, exprimée en angströms (1angström = 0,1 nm = 10^-10 m), qu'ils leur attribuaient  :-
-

Couleurs	Longueurs d'onde	Observateurs
Orangé, rouge	6279	Zöllner
Jaune	5690	Vogel
Jaune, vert	5567	Angström
Jaune, vert	5316	Lindsay
Verte	5233	Vogel
Verte	5172	Lindsay
Vert, bleu	5051	Denza
Vert, bleu	5004	Vogel
Bande bleue	4694 -4624	Vogel

Le déclenchement d'une aurore polaire tient tout entier à l'activité solaire. Notre étoile peut, en seulement quelques heures, entrer en éruption. Ce qui va provoquer l'expulsion en masse depuis son atmosphère de particules se propageant rapidement dans l'espace. Après trois ou quatre jours de voyage, les particules de ce vent solaire rapide, qui sont des électrons, des protons et divers autres ions positifs, atteignent le voisinage de la Terre et interagissent avec son champ magnétique. Un phénomène qui prend le nom d'orage géomagnétique, et dont les aurores ne constitueront que l'aspect le plus spectaculaire. 
-

Principe de production d'une aurore polaire.

Pour l'essentiel, face à cet afflux de particules électriquement chargées, le champ magnétique terrestre joue le rôle de bouclier. Mais un petite proportion des particules reste piégée, et va même se trouver canalisé et même accélérée par le champ magnétique dipolaire de notre globe en direction de ses pôles. L'émission aurorale sera produite lorsque ces particules entreront en collision avec les atomes et les molécules de l'atmosphère terrestre. La rencontre se produit principalement le long d'un périmètre ovale centré sur chacun des pôles magnétiques - un ovale ou anneau auroral photographié pour la première fois dans son ensemble en 1981, par le satellite Dynamics Explorer - et généralement entre 100 et 300 km d'altitude. Mais parfois la partie inférieure d'une aurore peut descendre jusqu'à une soixantaine de kilomètres, et l'on en a vu se développer jusqu'à 1000 km d'altitude. 
-

Ovale auroral. (Source :  Space Weather Center; 
image :  L. Frank, Université de l'Iowa et NASA).

Les collisions des particules de vent solaire avec les atomes et les molécules neutres que recèle notre haute atmosphère provoque l'excitation, et éventuellement l'ionisation de ces dernières. Rapidement, celles-ci retournent à leur état fondamental en restituant l'énergie acquise par le choc sous la forme d'un rayonnement électromagnétique, dans des longueurs d'onde caractéristiques  de l'atome considéré. On comprend ainsi que les spectres des aurores soient dominés par les raies que produisent les deux principaux constituants de l'air : l'azote et l'oxygène.

En bibliothèque - Harald Falck-Ytter, Torbjorn Lovgren, Aurora: The Northern Lights in mythology, history and science; A. Omholt, The optical Aurora, Springer Verlag, 1971; Jean-Jacques d'Ortous de Mairan, Traité de l'aurore boréale, 1731; Candace Savage, Les aurores boréales, Trécarré, 2002. En librairie - David Lynch, William Livingston, (préf. Pierre Léna), Aurores, Mirages, éclipses, Dunod, 2002;  J. Lilensten, F. Bornarel, Sous les feux du Soleil, vers une météorologie de l'espace, EDP Sciences, 2001; Jean Lilensten et Pierre-Louis Blelly, Du Soleil à la Terre, Aéronomie et météorologie de l'espace, Presses universitaires de Grenoble, 1999. - Lavoisier, Observation d'une aurore boréale faite à Villers-Cotterets.

Fréquence annuelle des aurores boréales sur l'ovale auroral.