Qu'est-ce qui provoque les aurores boréales ?

En résumé, le soleil nous envoie en permanence des particules chargées. Le champ magnétique terrestre en capture une partie, et là où ce champ les dirige vers la haute atmosphère, il provoque une luminescence de l'air.

La version plus longue est plus intéressante, principalement à cause de ce qu'elle explique sur le moment où les phénomènes se produisent. L'aurore n'est pas une réaction directe à quelque chose que tu peux observer se passer sur le soleil. Il y a un délai d'un ou deux jours, et comprendre pourquoi est la différence entre consulter une prévision et faire une supposition.

L'atmosphère extérieure du soleil est tellement chaude que sa propre gravité ne peut la retenir. Elle s'échappe constamment, dans toutes les directions, sous forme d'un mince flux d'électrons et de protons se déplaçant à une vitesse d'environ 400 kilomètres par seconde. C'est ce qu'on appelle le vent solaire, et il ne s'arrête jamais.

Ce qui varie, c'est la vitesse et la densité. Un coronal hole, une région où le champ magnétique du soleil s'étend dans l'espace au lieu de faire un retournement, permet au vent de s'échapper plus rapidement, parfois à plus de 700 km/s. Une coronal mass ejection est différente : il s'agit d'un amas discret de plasma magnétisé éjecté lors d'une éruption, transportant beaucoup plus de matière et arrivant souvent avec un front d'onde.

Les deux peuvent produire des aurores. Ils se comportent de manière suffisamment différente pour que cette distinction soit importante pour toute personne qui réserve un voyage, ce à quoi nous revenons sur la page du cycle solaire.

La lumière émise par une éruption solaire nous parvient en environ huit minutes. Les particules, elles, mettent plus de temps. Une éjection de masse coronale rapide traverse les 150 millions de kilomètres qui séparent la Terre en environ un à trois jours ; une éjection plus lente prend plus de temps.

C'est pour cette raison que les prévisions d'aurores fonctionnent. Nous pouvons observer l'éruption, mesurer sa direction et sa vitesse, et estimer approximativement le moment où le phénomène arrivera, avant même qu'il ne se produise. C'est aussi pour cela que les prévisions sont souvent imprécises concernant l'intensité : ce qui compte le plus à l'arrivée, c'est l'orientation du champ magnétique contenu dans ce plasma, et nous ne pouvons pas mesurer cela correctement tant que le phénomène n'a pas traversé les satellites situés à environ 1,5 million de kilomètres en amont, ce qui nous donne un délai d'alerte d'environ 15 à 60 minutes.

Voilà donc l'état actuel des choses : on te prévient de l'arrivée de quelque chose plusieurs jours à l'avance, mais on ne te dit qu'une heure avant à peu près la qualité que tu peux en attendre.

Le champ magnétique terrestre n'est pas la forme symétrique et ordonnée que l'on voit dans les schémas des manuels. Le vent solaire le comprime du côté exposé au soleil et le étire en une longue queue du côté nocturne, s'étendant bien au-delà de l'orbite de la Lune.

Lorsque le champ magnétique transporté par le vent solaire est orienté vers le sud, à l'opposé du champ terrestre à la frontière, les deux peuvent se connecter. L'énergie et les particules s'accumulent dans cette queue étirée. La tension monte, puis la queue se détend brusquement, projetant des particules le long des lignes de champ vers les deux pôles à la fois. Cette libération s'appelle un sous-orage, et c'est ce que tu regardes réellement lorsqu'un arc calme s'illumine soudain, se fragmente et se met à bouger vite.

Ces particules frappent les atomes d'oxygène et d'azote à une altitude comprise entre 100 et 300 kilomètres, propulsent leurs électrons vers des niveaux d'énergie plus élevés, et la lumière émerge lorsque les électrons retombent à leur état initial. La couleur de la lumière émise dépend de l'atome en question et de la durée pendant laquelle il reste excité. Cela s'avère être une histoire plus intéressante qu'il n'y paraît, et elle a sa propre page.

Le 1er septembre 1859, deux astronomes anglais, Richard Carrington et Richard Hodgson, ont observé, indépendamment l'un de l'autre, une zone de lumière blanche intense qui s'est manifestée au-dessus d'un grand groupe de taches solaires. Aucun des deux ne savait ce qu'il observait.

Ce qui suivit reste l'orage géomagnétique le plus intense jamais enregistré. Des aurores furent signalées jusqu'aux Caraïbes et au Venezuela. Et sur les lignes télégraphiques entre Boston et Portland, dans le Maine, les télégraphistes débranchèrent complètement leurs batteries et continuèrent d'échanger des messages pendant environ deux heures, grâce au courant que l'orage induisait dans les fils.

Ce détail est important à retenir. C'est le moment où il est devenu évident qu'un phénomène se produisant sur le soleil pouvait se propager vers le sol et transmettre de l'électricité à travers les infrastructures. C'est à peu près là que commence la science des conditions spatiales. Une tempête de cette ampleur frappant le réseau électrique actuel est un scénario que les entreprises énergétiques prennent en compte.

• Personne ne peut prévoir avec précision au-delà de quelques jours. Tout ce qui te propose une probabilité d'aurores pour une date située dans trois mois te vend, au mieux, des données climatiques, et, au pire, de l'invention.
• Les sous-orages sont soudains. Un ciel qui n'a montré qu'un arc terne pendant une heure peut devenir, en deux ou trois minutes, le spectacle des photos. C'est le meilleur argument pour une excursion longue plutôt que courte.
• Le meilleur indicateur sur lequel tu peux agir, ce sont les nuages, car tu peux planifier en fonction du climat, et tu ne peux pas planifier en fonction des phénomènes géomagnétiques. C'est pourquoi nos données météorologiques occupent la plus grande partie de ce site.

L'explication ci-dessus, selon laquelle les particules chargées provenant du soleil suivent les lignes du champ magnétique jusqu'à l'atmosphère polaire, semble évidente aujourd'hui. Elle a été proposée en 1896 par le physicien norvégien Kristian Birkeland, et elle a été rejetée pendant la majeure partie du siècle suivant.

Birkeland a fait quelque chose d'inhabituel pour l'époque : il a construit l'appareil dans un laboratoire. Sa terrella, littéralement une petite Terre, était une sphère magnétisée suspendue dans une chambre à vide. Lorsqu'il dirigeait un faisceau d'électrons sur elle, ceux-ci se courbaient vers les pôles et produisaient des anneaux lumineux autour d'eux. Il a photographié le résultat, et cela ressemble indéniablement à un ovale auroral.

Il est également allé prendre des mesures. Birkeland a fait fonctionner des observatoires magnétiques dans l'Arctique pendant l'hiver polaire, dans des conditions qui ont décimé les membres d'expéditions similaires, afin d'enregistrer les courants qui circulaient au-dessus de lui pendant les aurores.

L'objection est venue principalement du géophysicien britannique Sydney Chapman, qui a soutenu que les courants électriques ne pouvaient pas circuler dans le vide spatial, et a proposé que les courants étaient en réalité confinés à l'ionosphère. Chapman était une figure importante, bien placée, et avait tort sur ce point précis, et le désaccord a duré des décennies. Birkeland est décédé en 1917, et la question est restée sans réponse.

Il a fallu envoyer des engins spatiaux pour l'étudier. Les mesures directes effectuées depuis l'orbite dans les années 1960 ont révélé les courants alignés avec le champ magnétique, circulant entre la magnétosphère et l'ionosphère, exactement là où le modèle de Birkeland les prédisait. On les appelle maintenant les birkeland currents, et c'est grâce à eux que cette page peut décrire le mécanisme comme un fait plutôt que comme une théorie.

Il y a deux choses importantes à retenir de cette histoire. La première, c'est que l'aurore boréale ressemblait tellement à un phénomène céleste que l'idée de la relier au soleil, situé à 150 millions de kilomètres, représentait un véritable bond en avant. La seconde, c'est que le désaccord a été résolu en allant mesurer directement, ce qui est une bonne habitude en général, et une pratique que ce site essaie de maintenir.

La prévision moderne des aurores a deux niveaux, et savoir lequel tu consultes permet d'éviter la plupart des confusions concernant les applications.

Plusieurs jours avant, les prévisionnistes surveillent le soleil. Une éjection de masse coronale est visible au moment où elle se produit, sa vitesse et sa direction peuvent être estimées, et des modèles prédisent à peu près quand elle arrivera. C'est ainsi qu'on est prévenu plusieurs jours à l'avance que quelque chose arrive. Ce que cela ne peut pas te dire, c'est quelle sera l'efficacité de l'arrivée, car cela dépend surtout de l'orientation du champ magnétique à l'intérieur du plasma, qui n'est pas mesurable d'ici.

En moins d'une heure, les prévisionnistes observent directement le vent solaire. Les engins spatiaux se situent au point L1, à environ 1,5 million de kilomètres en amont, entre la Terre et le Soleil, où ils analysent le vent avant qu'il n'atteigne notre planète. DSCOVR est celui qui est opérationnel aujourd'hui, bien qu'ACE contribue toujours. Le temps de trajet entre L1 et la Terre donne le délai réel : entre environ 15 et 60 minutes, selon la vitesse du vent.

Cette mesure alimente le modèle OVATION, développé au Laboratoire de physique appliquée de Johns Hopkins, qui produit la carte bien connue de l'ovale avec sa prévision de 30 à 90 minutes. Lorsqu'une application te montre un ovale coloré au-dessus du pôle, c'est généralement ce qu'elle affiche.

Voilà l'état actuel des choses, soyons honnêtes : on te prévient parfois de quelque chose qui pourrait se produire quelques jours à l'avance, mais on t'informe généralement avec moins d'une heure d'avance pour savoir si cela se produira réellement. Tout ce qui prétend te donner la probabilité d'observer des aurores pour une nuit spécifique, trois mois à l'avance, ne constitue pas une prévision. C'est soit de la climatologie, ce qui est utile et devrait l'indiquer clairement, soit de l'invention.

• Centre de prévision des conditions spatiales de la NOAA — informations générales sur les aurores et les prévisions opérationnelles : aperçu des aurores, prévision de l'aurore sur 30 minutes (OVATION), et la prévision sur 3 jours.
• Modèle OVATION, développé au Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins, qui utilise les mesures du vent solaire provenant du point L1.
• Événement Carrington : la tempête du 1er et 2 septembre 1859, documentée dans les témoignages contemporains des perturbations des télégraphes, ainsi que dans la littérature moderne sur les conditions météorologiques spatiales.
• Kristian Birkeland : expériences avec la "terrella" à partir de 1901, théorie de l'aurore à partir de 1896, et les courants alignés avec le champ magnétique, qui ont ensuite été nommés d'après lui et confirmés par des mesures effectuées par des engins spatiaux dans les années 1960.
• Met Office — informations générales sur les conditions spatiales et commentaires sur le cycle solaire actuel : metoffice.gov.uk.