Pourquoi l'aurore boréale est verte (et quand elle ne l'est pas)

Presque toutes les explications sur les couleurs de l'aurore disent quelque chose comme : "différents gaz produisent différentes couleurs". C'est vrai, mais cela cache un fait plus intéressant : les deux couleurs d'aurore les plus courantes proviennent du même élément.

Le vert, à 557,7 nanomètres, et le rouge profond, à 630,0 nanomètres, sont tous deux liés à l'oxygène atomique. Ce qui les différencie, c'est le temps.

Lorsqu'une particule provenant de la magnétosphère entre en collision avec un atome d'oxygène, elle propulse un électron vers un niveau d'énergie plus élevé. L'atome émet alors un photon lorsque l'électron retombe à son niveau d'énergie initial. Cependant, cela ne se produit pas instantanément, et la durée de cet intervalle dépend de l'état dans lequel l'électron s'est retrouvé.

L'état qui produit la lumière verte a une durée de vie d'environ one second. L'état qui produit la lumière rouge a une durée de vie d'environ two minutes.

Deux minutes, c'est une durée très longue pour un atome. Dans les zones où l'air est plus dense, un atome d'oxygène excité entrera en collision avec autre chose bien avant la fin de ces deux minutes, et cette collision entraînera une dissipation de l'énergie sous forme de mouvement plutôt que de lumière. Les physiciens appellent cela "extinction". L'atome était prêt à émettre une lumière rouge, mais quelque chose l'a heurté avant.

Ainsi, une image montrant une partie supérieure rouge intense et une partie inférieure verte te signale que le phénomène s'étend sur plusieurs centaines de kilomètres en altitude. Une bordure inférieure violette ou rose indique que les particules pénètrent plus profondément que d'habitude, ce qui signifie généralement que l'événement est important.

La couleur indique la partie de l'atmosphère où l'énergie s'est déposée. C'est l'une des rares choses que tu peux identifier en te tenant dans un champ, sans aucun instrument.

C'est souvent cet aspect qui surprend le plus les visiteurs qui viennent pour la première fois, et l'industrie ne se donne pas beaucoup de mal pour les avertir.

La vision des couleurs chez l'être humain repose sur les cellules cônes, qui ont besoin d'une quantité de lumière raisonnable. Dans l'obscurité, tu passes aux bâtonnets, qui sont beaucoup plus sensibles, mais qui ne peuvent absolument pas distinguer les couleurs. Ainsi, une aurore boréale ordinaire, qui n'est pas très lumineuse, apparaît comme une bande grisâtre ou gris-vert pâle. La couleur est présente, mais tes yeux ne peuvent pas la percevoir.

Un appareil photo n'a pas cette limite. Ouvre l'obturateur pendant dix secondes et il accumulera la lumière jusqu'à ce que le vert soit visible. C'est pourquoi la photo qui t'a incité à réserver ne ressemble en rien à ce que tu verras réellement, sauf si tu as un affichage particulièrement intense, auquel cas les projecteurs s'allument et la couleur devient visible à l'œil nu.

Une petite ironie supplémentaire : la vision humaine atteint son niveau de sensibilité maximal autour de 555 nanomètres, ce qui correspond presque exactement à la longueur d'onde de 557,7 nm de la ligne verte de l'oxygène. Parmi toutes les couleurs que le ciel aurait pu choisir, il a opté pour celle que nous sommes le mieux équipés pour remarquer. Nous sommes toujours peu performants à ce sujet dans l'obscurité.

Rien de tout cela ne constitue une raison de ne pas venir. C'est plutôt une raison de venir avec les bonnes attentes, et cela est bien expliqué sur notre page concernant ce qu'un téléphone peut capturer.

En janvier 2016, des membres d'un groupe Facebook appelé "Alberta Aurora Chasers" ont commencé à partager des photos de quelque chose qui ne ressemblait pas aux aurores boréales : un ruban mauve étroit s'étendant d'est en ouest, parfois accompagné d'une structure verte en forme de clôture, et apparaissant bien au sud de l'ovale habituel.

Ils l'avaient surnommée « Steve », une blague tirée du film d'animation Nos voisins, les hommes, où les personnages donnent un nom à quelque chose qu'ils ne comprennent pas. Lorsque les chercheurs de l'Université de Calgary et de la NASA l'ont étudiée avec eux, ce nom est resté et a été transformé en Strong Thermal Emission Velocity Enhancement (STEVE).

Il s'est avéré correspondre à un phénomène de dérive ionique subaurale, une sorte de "rivière" de particules chargées qui avait été mesurée par des instruments pendant des décennies, mais que personne n'avait jamais observée directement. Ce phénomène n'est pas produit par des particules qui descendent, comme c'est le cas pour l'aurore, et c'est pourquoi, à proprement parler, ce n'est pas une aurore.

La raison de raconter cette histoire ne réside pas dans des détails insignifiants. C'est plutôt que, grâce à des appareils photo, un groupe d'amateurs a découvert quelque chose que la littérature spécialisée avait manqué, dans un ciel que les gens photographient depuis un siècle.

Au-delà de la palette habituelle, il existe quelques phénomènes lumineux qui apparaissent si rarement que la plupart des gens ne les voient jamais, et qui, en plus, sont plus beaux en photo qu'ils ne le paraissent à l'œil nu.

Les arcs SAR, pour « stable auroral red arcs » (arcs rouges auroraux stables), sont de larges bandes pâles de lumière rouge pure qui apparaissent bien au sud de l'ovale principal pendant et après les fortes tempêtes. Ils ne sont pas du tout produits par des particules qui tombent : l'énergie arrive sous forme de chaleur conduite depuis le courant annulaire, très loin dans la magnétosphère. Ils sont généralement invisibles à l'œil nu et apparaissent sur les poses longues comme une large bande rouge là où le photographe n'attendait rien.

L'aurore à protons est produite par des protons entrants plutôt que par des électrons. Elle est diffuse, sans structure et très faible, ce qui explique qu'elle figure rarement sur les photos. Elle compte davantage pour les chercheurs que pour les visiteurs.

La frange basse rose ou magenta qui apparaît le long du bord inférieur d'une aurore active vient de l'azote moléculaire, et elle exige des particules qui pénètrent inhabituellement profond. Quand tu la vois, l'événement est fort.

Et STEVE, dont la description se trouve ci-dessous, qui pendant des années a été photographié par des amateurs et ignoré par la littérature.

Le fil conducteur est que le ciel aux hautes latitudes accomplit plusieurs choses à la fois, et nos yeux ne sont adaptés qu'à une infime partie de tout cela. C'est la raison honnête pour laquelle la photographie est devenue si importante dans cette passion : l'appareil photo ne sert pas à embellir, il est l'outil.

Étant donné que les couleurs d'une photographie authentique peuvent déjà paraître irréelles, une certaine quantité de falsification circule en parallèle, surtout dans le domaine du marketing touristique. Quelques éléments permettent de le déceler.

• La Voie lactée et une aurore boréale brillante, capturées dans la même image nette. C'est théoriquement possible, et souvent réalisé en combinant plusieurs images. Le signe révélateur est lorsque les deux éléments sont anormalement nets : les réglages d'exposition qui conviennent à chacun sont différents.
• L'aurore boréale se reflétait dans l'eau, sans la moindre ondulation, lors d'une nuit où l'effet du vent était visible ailleurs dans le champ de vision.
• Couleurs en dehors de la palette physique. Le vert, le rouge, le bleu, le violet et leurs mélanges sont réels. Les rideaux orange ou jaunes très saturés ne le sont pas.
• Une pleine lune et une Voie lactée discrète, ensemble. La lumière de la lune recouvre la Voie lactée. Avoir les deux signifie deux clichés.
• Le même ciel au-dessus de paysages différents, présentés dans la galerie d'un opérateur. Il est conseillé de faire une recherche d'images inversée si tu choisis une entreprise en te basant sur ses photographies.
• Le premier plan est éclairé de manière uniforme, sans source de lumière visible, lors d'une nuit sans lune.

Aucun de ces éléments ne signifie que les images retouchées sont malhonnêtes. Chaque photographie sérieuse de l'aurore a subi une conversion et un ajustement, et le vert est bien présent. La frontière qui compte se situe entre mettre en valeur ce que le capteur a enregistré et créer quelque chose qui ne s'est pas produit, et le second type est le plus courant, et ce, exactement là où il cause le plus de problèmes : dans les annonces sur lesquelles les gens réservent.

• Centre de prévision des conditions spatiales de la NOAA — tutoriel sur la physique des émissions et les aurores : swpc.noaa.gov.
• Agence spatiale canadienne — une référence accessible sur les couleurs de l'aurore et les altitudes auxquelles elles se produisent.
• STEVE : MacDonald, E. et al. (2018), New science in plain sight: Citizen scientists lead to the discovery of optical structure in the upper atmosphere, Science Advances, doi 10.1126/sciadv.aaq0030. Les premières observations sont venues du groupe Alberta Aurora Chasers en janvier 2016, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Calgary et de la NASA.
• Longueurs d'onde d'émission : oxygène atomique à 557,7 nm (vert) et 630,0 nm (rouge), azote moléculaire pour les composantes bleues et violettes, avec des altitudes correspondant aux références standard.
• Vision nocturne humaine : Les cellules bâtonnettes sont prédominantes dans des conditions de faible luminosité et ne distinguent pas les couleurs. C'est pourquoi une faible aurore apparaît en gris à l'œil nu et en vert pour un capteur.