Astronomie

Qu'est-ce qui fait que les aurores d'autres planètes ont des couleurs différentes ?

Qu'est-ce qui fait que les aurores d'autres planètes ont des couleurs différentes ?

Tout ce que j'ai pu trouver, c'est que cela dépend de la composition atmosphérique de la planète car elles interagiront avec les particules solaires chargées, ce qui pourrait être vrai, mais y a-t-il une raison précise derrière les différentes couleurs des aurores sur d'autres mondes (l'aurore bleue de Saturne par example)?


Enfin, vous avez raison. Cependant, il peut aussi y avoir quelques précisions dans l'ordre : de quelle aurore bleue de Saturne parlez-vous ? Les images aurorales les plus connues de Saturne comme celle-ci, ne sont pas vraie couleur images. C'est-à-dire que ce que nous voyons sur la photo n'est pas ce que vous verriez à l'œil nu ; au lieu de cela, la photo a été améliorée pour souligner quelque chose d'intéressant, dans ce cas l'aurore. En réalité, ce beau bleu que vous voyez sur la photo n'est même pas de la lumière visible avec nos yeux. C'est de la lumière UV qui nous serait totalement invisible. Les personnes travaillant avec des données prises par une caméra spécialisée doivent donner à la lumière UV une couleur visible ou nous ne la verrions pas du tout. Les images des aurores de Saturne dont je suis au courant ont toutes été modifiées de cette manière.

Cependant, les aurores elles-mêmes sont le résultat de particules chargées qui se dirigent vers le champ magnétique d'une planète et s'écrasent dans l'atmosphère de la planète. Sur Terre, les aurores se produisent parce que les atomes de l'atmosphère sont énergisés par ces collisions, puis émettent de la lumière lorsqu'ils se désexcitent. Ici, ce sont l'oxygène et l'azote de l'atmosphère qui sont responsables de la lumière des aurores (principalement les verts de l'oxygène, mais aussi les rouges à plus haute altitude de l'oxygène et parfois les bleus de l'azote). Dans les atmosphères d'autres planètes dominées par différents atomes et molécules, les réactions seront différentes, et les longueurs d'onde de la lumière émise seront également différentes. Par exemple, les aurores de Saturne sont dues à des molécules H2 énergisées. Sur Jupiter, ce peuvent être les particules entrantes elles-mêmes (soufre et oxygène) qui sont responsables de l'émission aurorale.


Les couleurs de l'aurore

Aurore multicolore sur Klondike Gold Rush National Historical Park près de White Pass dans le sud-est de l'Alaska. Figure 2. Rideaux et rayons verts au-dessus de Brooks Range et Gates of the Arctic National Park.

L'aurore fascine les observateurs des hautes latitudes depuis des siècles, mais ce n'est que récemment que nous avons commencé à comprendre les processus qui la provoquent. Cet article traite des mécanismes responsables des couleurs des aurores. Les observations de la balance des couleurs dans les aurores peuvent nous fournir des informations sur les processus physiques dans l'espace proche de la Terre qui provoquent les aurores. Des observations spectrales à haute résolution nous permettent de comprendre comment la haute atmosphère est affectée par les aurores

Une brève histoire de la compréhension de l'aurore

Les descriptions des aurores boréales, ou des aurores boréales, remontent à l'histoire écrite. Il y a 2 300 ans, Aristote a vu des rideaux de lumière dans le ciel et a appelé le phénomène « chasmata » pour indiquer que la cause était des fissures dans le ciel, laissant entrer la lumière au-delà de la sphère céleste. Dans son livre Lumières majestueuses, Eather (1980) présente plusieurs citations de la Bible qui font très probablement référence à l'aurore.

La première utilisation enregistrée des mots "aurores boréales" pour décrire l'aurore remonte à 1230, dans un livre intitulé The King's Mirror. L'auteur a écrit le livre pour préparer le roi norvégien Magnus Lagabøte à ses fonctions de souverain.

Figure 3. Une structure à petite échelle dans les aurores se présente sous la forme de minces rideaux et de petits rayons et boucles au-dessus de Fairbanks, en Alaska. Cette structure est liée au processus d'accélération aurorale directement au-dessus de l'atmosphère.

Le terme aurores boréales est né dans les années 1600, lorsque Galilée a combiné le mot « aurore », le mot latin pour « aube », avec le terme « boréal », le mot grec pour « nord ». L'aurore apparaît également dans l'hémisphère sud, où elle est appelée « aurore australe ». Comme il y a très peu de masse continentale peuplée aux hautes latitudes sud, il n'y a aucune référence historique et mythologique connue aux aurores méridionales. Bien que les autochtones de Nouvelle-Zélande aient dû voir des aurores à l'occasion, le capitaine Cook est considéré comme le découvreur des aurores australes qu'il a vues en 1773 lors de son voyage autour de la pointe sud de l'Amérique du Sud.

Aux latitudes moyennes, les gens voient rarement les aurores boréales. L'aurore est visible aux latitudes moyennes lors des plus gros orages magnétiques, mais elle est dominée par les couleurs rouges. Dans les temps anciens, lorsque l'aurore apparaissait au-dessus de la tête, les gens associaient souvent l'aurore à de bons ou de mauvais présages et la considéraient parfois comme une manifestation des activités des esprits ou des dieux célestes. Les peuples qui vivaient à haute latitude et qui avaient une exposition régulière de l'aurore avaient des croyances similaires.

Figure 4. La structure à grande échelle dans les aurores se présente sous la forme de grands plis et de rideaux parallèles au-dessus du parc national et de la réserve Gates of the Arctic. Cette structure reflète les processus dans la magnétosphère où de grands courants transportent de l'énergie dans la région aurorale.

Au Moyen Âge, les scientifiques ont proposé d'autres hypothèses sur ce qui se cache derrière les aurores boréales : ils ont suggéré que la lumière de l'aurore était la lumière du soleil réfléchie par des cristaux de glace dans l'air, la lueur de la glace des glaciers près du pôle, ou une lumière émanant du bord de la Terre. Au XVIIIe siècle, les scientifiques ont découvert un lien entre les aurores et les perturbations du champ magnétique terrestre et les aurores associées aux taches solaires. Mais il a fallu attendre la fin du vingtième siècle avant qu'une explication satisfaisante de l'aurore, de ses couleurs et des mécanismes qui la sous-tendent n'émerge.

Figure 5. Plusieurs rideaux parallèles au-dessus de Rock Creek dans le parc national et réserve Denali. Notez la comète Hale-Bopp dans le coin inférieur droit.

Les processus qui causent Aurora

La lumière des aurores est générée par les atomes et les molécules de l'air lorsqu'ils sont frappés par des particules énergétiques venues de l'espace. Ces particules énergétiques proviennent du volume de l'espace juste au-dessus de l'aurore et sont accélérées par des processus de physique des plasmas qui sont encore à l'étude. Mais nous avons une assez bonne compréhension des processus généraux et du flux d'énergie qui alimente ces processus. Nous pouvons modéliser l'aurore et nous comprenons maintenant pour prévoir son apparition (Lummerzheim 2007).

Les particules chargées, comme celles qui provoquent les aurores, ne peuvent généralement se déplacer que dans la direction du champ magnétique. Cela façonne l'aurore en structures de type rideau et rayon (Figure 2). En suivant le champ magnétique depuis l'aurore, nous arrivons à la région d'accélération aurorale, à environ 1 000 à 10 000 km au-dessus de la terre. Les structures à plus petite échelle comme les rayons, les petites boucles et les rideaux minces illustrés à la figure 3 représentent des structures dans les processus d'accélération. Cette région est reliée à la magnétosphère externe par des courants électriques. Structures à grande échelle, comme plusieurs arcs parallèles (Illustrations 4-5) et des spirales qui remplissent presque tout le ciel (Illustration 6) montrer la configuration spatiale de ces courants. La magnétosphère est la région de l'espace autour de la Terre qui est contrôlée par le champ magnétique terrestre. Son diamètre est d'environ 30 rayons terrestres, et à l'extérieur de la magnétosphère se trouve le vent solaire. La magnétosphère forme un obstacle pour le vent solaire, qui doit la contourner. Cette interaction du vent solaire avec la magnétosphère fournit l'énergie qui accélère finalement les électrons auroraux dans la magnétosphère interne. Une forte activité solaire provoque de fortes variations dans le vent solaire. Les sous-produits de cette météo spatiale sont donc les orages géomagnétiques et les aurores.

Figure 6. Une grande spirale qui remplit une grande partie du ciel sur cette photo à grand angle extrême prise à Ester Dome près de Fairbanks, en Alaska.

Émission de lumière dans Aurora

Lorsque des électrons énergétiques frappent un atome ou une molécule, ils ralentissent et transfèrent une partie de leur énergie à cet atome ou cette molécule. Les molécules ne peuvent stocker cette énergie que pendant très peu de temps, puis irradier l'énergie sous forme de lumière. Certaines molécules se dissocient en atomes dans ce processus, et certaines molécules et atomes sont ionisés. À l'altitude où se produisent les aurores, au-dessus d'environ 62 miles (100 km), l'air est suffisamment mince pour que l'oxygène puisse exister sous forme atomique, tandis que l'air que nous respirons ne contient que de l'oxygène moléculaire. Pendant la journée, la lumière ultraviolette du soleil divise l'oxygène moléculaire en atomes, tandis que la nuit, l'aurore poursuit ce processus.

Lorsqu'un atome ou une molécule émet de la lumière sous forme de photon, pour se débarrasser de son excès d'énergie, ce photon a une longueur d'onde caractéristique de cet atome. Nous percevons la longueur d'onde comme une couleur. Des expériences en laboratoire peuvent reproduire ces processus d'émission de lumière en forçant un courant à travers un tube de verre sous vide qui contient une petite quantité d'un gaz sélectionné. L'étude de ces processus d'émission de lumière a conduit à la compréhension des atomes au début du XXe siècle et à la découverte de la mécanique quantique. Parce que chaque type d'atome ou de molécule émet des couleurs qui lui sont propres, nous pouvons utiliser les couleurs de l'aurore pour déterminer la composition atmosphérique à l'altitude aurorale.

Figure 7. Des aurores intenses développent une bordure violette sous les rideaux verts dans cette vue fisheye de presque tout le ciel au-dessus de Fairbanks, en Alaska. Remarquez la Grande Ourse près du zénith.

Le temps pendant lequel une molécule ou un atome peut stocker l'énergie qu'il a acquise lors d'une collision est très court, typiquement entre 1/1000 et moins de 1/1 000 000 de seconde. L'oxygène atomique est une exception notable, et l'état excité qui provoque l'émission aurorale la plus courante, la ligne verte, a une durée de vie de 0,7 seconde. Lorsqu'un atome excité met autant de temps à irradier l'énergie stockée en interne, d'autres processus, réactions chimiques ou collisions entrent en compétition avec le processus de rayonnement pour cette énergie. Plus l'air est dense, plus les collisions entre les atomes et les molécules sont fréquentes. En dessous de l'altitude d'environ 59 miles (95 km), les collisions sont si fréquentes que la ligne verte d'oxygène n'a aucune chance d'être émise. Toute l'énergie qui est mise dans l'atome d'oxygène est perdue avant que la durée de vie de 0,7 seconde ne permette le rayonnement. Cela détermine le bord inférieur de l'émission verte dans les aurores.

Figure 8. Les électrons auroraux à haute énergie au-dessus de Fairbanks, en Alaska, pénètrent suffisamment profondément pour provoquer la bordure inférieure violette des rideaux verts. Aurora à haute énergie produit également des rideaux très structurés et très minces qui se déplacent rapidement. Des temps d'exposition courts sont nécessaires pour résoudre ces structures.

Cependant, les électrons auroraux ont parfois assez d'énergie pour leur donner le punch de pénétrer plus profondément que cela dans l'atmosphère. Lorsque cela se produit, seules des émissions avec une durée de vie beaucoup plus courte sont possibles. Le gaz le plus abondant est l'azote moléculaire, et il rayonne rapidement dans des couleurs bleu et rouge profond. Les mélanger ensemble donne du violet. Le bord inférieur d'un rideau auroral vert prend cette couleur violette lorsque les électrons auroraux sont accélérés à très haute énergie (Illustrations 7-8).

À l'occasion, l'aurore prend une couleur rouge foncé. Cela vient des altitudes plus élevées, environ 120-180 miles (200-300 km). C'est encore l'atome d'oxygène qui est responsable de cette couleur. L'atome d'oxygène a un état excité pour cette émission de raie rouge avec une durée de vie moyenne de 100 secondes, et ce n'est qu'à très haute altitude que les collisions sont suffisamment rares pour permettre à ce rayonnement d'être émis. (Illustration 9). Étant donné que la longue durée de vie de la ligne rouge oxygène permet également à l'aurore de se déplacer avant qu'elle ne rayonne, la structure détaillée des rideaux auroraux est également lavée dans ces émissions. (Illustration 10).

Figure 9. Aurore rouge au-dessus des montagnes Sawtooth près du parc historique national Klondike Gold Rush et Skagway, Alaska

Relier la couleur aux processus physiques

L'énergie des électrons auroraux détermine à quelle profondeur ces particules pénètrent dans l'atmosphère. Étant donné que les émissions aurorales sont caractéristiques de l'altitude d'où elles proviennent, nous pouvons utiliser la balance des couleurs de l'aurore pour déterminer l'énergie des électrons auroraux. La luminosité aurorale dépend du taux d'électrons auroraux entrants. Par analogie aux courants électriques, nous pouvons dire que la couleur nous indique la tension, la luminosité nous indique le courant.

Pendant les très gros orages magnétiques, les aurores sont visibles depuis les latitudes moyennes et basses. Il est courant d'avoir des aurores rouges très vives pendant de telles tempêtes. Les orages magnétiques d'Halloween et fin novembre 2003 ont été remarquables, lorsque des aurores rouges ont été observées au-dessus de la Méditerranée, de la Floride et de l'ensemble des États-Unis. circulant, tandis que l'accélération aurorale ne produit que des électrons de faible énergie.

Figure 10. L'aurore rouge d'aspect diffus au-dessus du parc historique national Klondike Gold Rush près de White Pass provient d'atomes d'oxygène à longue durée de vie à haute altitude. La structure du rideau ci-dessous est perdue dans l'aurore rouge car les atomes excités peuvent se déplacer avec le vent avant d'émettre de la lumière.

En plus d'examiner la balance des couleurs et la luminosité, nous pouvons mesurer la longueur d'onde des raies d'émission individuelles dans les aurores avec une très grande précision. Cela nous permet de déterminer le décalage Doppler des raies d'émission. L'effet Doppler pour l'émission lumineuse provoque un raccourcissement de la longueur d'onde de l'émission si l'atome ou la molécule émetteur se déplace vers l'observateur, et un allongement de la longueur d'onde s'il s'éloigne. Une longueur d'onde plus courte signifie une couleur plus proche de l'extrémité bleue du spectre. Une longueur d'onde plus longue signifie un passage au rouge. Dans les aurores, ces décalages sont infimes, mais peuvent être observés avec des instruments à haute résolution spectrale, en particulier les interféromètres Fabry-Pérot (FPI). Parce que les émissions des lignes rouges et vertes de l'oxygène atomique ont une longue durée de vie, elles sont de bons candidats pour les observations FPI. La longue durée de vie garantit que les atomes dérivent avec le vent et que leur vitesse n'est pas affectée par la collision avec l'électron auroral qui a provoqué l'excitation en premier lieu. Le petit décalage de longueur d'onde peut ainsi être utilisé pour mesurer le vent ambiant à l'altitude de l'aurore.

Figure 11. Les vecteurs de vent à 150 miles (240 km) d'altitude dessinés sur une image composite de tout le ciel de l'émission d'oxygène verte et rouge. Par son interaction avec l'atmosphère, l'aurore modifie la direction et la vitesse du vent dans la haute atmosphère.

Ces observations de vent FPI ne donnent que la composante de la vitesse du vent le long de la ligne de visée, la composante vers ou loin de la station d'observation. En utilisant les contraintes du modèle ou en plaçant trois de ces instruments dans des emplacements séparés, nous pouvons reconstruire le vecteur vent réel en mesurant trois composantes de celui-ci. La figure 11 montre un composite de la luminosité aurorale avec les vecteurs de vent déduits à 150 miles (240 km) d'altitude superposés. Cet exemple (Condé et al. 2008) montre que le vent est affecté par l'aurore lorsque la direction et la vitesse changent juste à la position du rideau auroral.

L'extrémité supérieure des rideaux et des rayons auroraux présente parfois une couleur bleu foncé. Ceci indique encore un autre processus d'émission de lumière. Les électrons auroraux produisent non seulement des atomes et des molécules excités émettant de la lumière, mais ils ionisent également certaines molécules. Ces ions peuvent ensuite être attirés vers le haut par les champs électriques dans les aurores et atteindre des altitudes suffisamment élevées pour que, dans certaines conditions, ils soient exposés à la lumière du soleil. Cette lumière du soleil disperse ensuite ces ions. Il existe une émission bleue de l'ion d'azote moléculaire qui est particulièrement forte dans la diffusion de la lumière solaire, c'est pourquoi nous voyons une extrémité supérieure bleue des rideaux auroraux (Illustration 13).

Figure 12. Aurore au-dessus du parc historique national Klondike Gold Rush, vue du Yukon, Canada.

Mettre tous ensemble

Les observations des couleurs des aurores, soit dans un sens plus large en examinant l'équilibre global des couleurs, soit par des méthodes spectroscopiques détaillées, peuvent nous en apprendre beaucoup sur les processus physiques qui provoquent les aurores et les effets que les aurores ont sur la haute atmosphère. La balance des couleurs nous indique l'altitude des aurores. Nous pouvons relier cela aux processus qui accélèrent les électrons auroraux dans l'espace proche de la Terre, et nous pouvons voir l'évolution des courants électriques qui circulent dans la magnétosphère. La spectroscopie haute résolution nous permet de voir le vent dans la haute atmosphère et comment il est modifié par les aurores. Les aurores bleues de haute altitude nous indiquent que les ions générés dans les aurores sont extraits de l'atmosphère vers l'espace. Et les couleurs elles-mêmes nous renseignent sur la composition du gaz atmosphérique à l'altitude de l'aurore.

Figure 13. Cette photo est prise peu après le coucher du soleil, lorsque le soleil illumine la partie supérieure de l'aurore. Les ions produits par l'aurore à ces altitudes dispersent la partie bleue de la lumière du soleil, ce qui fait que le bord supérieur de l'aurore semble bleu.

Remerciements

Je tiens à remercier Mark Conde pour ses suggestions et commentaires, ainsi que les personnes qui ont fourni les photographies de l'aurore pour cet article : Poul Jensen du Geophysical Institute de l'Université d'Alaska Fairbanks Michael Klensch de Skagway, Alaska Carl Johnson d'Anchorage, Alaska et Jan Curtis de l'Oregon. D'autres photos d'aurore de ces photographes sont disponibles sur leurs sites Web :

theusner/polarlicht/ (M. Theusner)

www.alpenglowphoto.net (M. Klensch)

climat.gi.alaska.edu/Curtis/aurora/ aurora.html (J. Curtis)

www.carljohnsonphoto.com (C. Johnson)

Les références

Condé, M.G., C. Anderson et C. Ander-son. 2008.

Nouveaux résultats du spectromètre Fabry-Pérot à imagerie tout ciel Poker Flat. Atelier CEDAR, Zermatt, UT.

Eather, R.H. 1980.

Lumières majestueuses : L'aurore dans la science, l'histoire et les arts. Union géophysique américaine. Washington DC.

Lummerzheim, D. 2007.

Modélisation et prévision des aurores. L'informatique en sciences et en génie 9 (5) : 53-61.


Quelles sont les causes de l'aurore?

Le soleil qui soutient la vie sur terre est au centre du système solaire, et lorsqu'il tourne sur son axe, ses champs magnétiques se tordent et se déforment. Une fois que les champs magnétiques sont entrelacés, ils ont tendance à se rompre et à produire les taches solaires. Normalement, les taches solaires se produisent par paire, la plus grande étant plusieurs fois la taille du diamètre de la planète Terre. La température au milieu du soleil est d'environ 15 millions de degrés Celsius, et lorsque la température à la surface du soleil baisse et monte, le soleil bouillonne et bout en libérant les particules chargées.

Le vent solaire envoie les particules solaires chargées se bousculer dans l'espace. Si notre planète est sur son chemin, le champ magnétique interagit avec l'atmosphère terrestre. Une fois que ces particules entrent en collision avec les molécules et les atomes présents dans l'atmosphère terrestre, cela excite ces atomes qui s'illuminent pour créer l'affichage spectaculaire et coloré appelé l'aurore.


Est-ce que d'autres planètes ont des aurores ?

Pendant de nombreuses années, les aurores observées sur notre planète ont été considérées comme les âmes des morts se déplaçant vers l'au-delà. Une aurore sur Terre est en fait causée par le Soleil et peut être considérée comme une forme de météo spatiale. Les vents solaires frappent la Terre avec des particules hautement chargées, mais le champ magnétique de notre planète dévie la plupart d'entre elles avant qu'elles n'atteignent l'atmosphère. De temps en temps, ces vents sont amplifiés par des éruptions solaires ou des éjections de masse coronale, qui libèrent d'énormes quantités de plasma. Lorsque ces vents solaires intenses atteignent la Terre, certaines des particules ionisées sont piégées dans le champ magnétique. Ces particules sont ensuite accélérées le long des lignes de champ vers les pôles où elles peuvent pénétrer dans la haute atmosphère, entrant en collision avec des particules de gaz qui les amènent à émettre une lumière vive. Ce processus crée les fascinantes aurores boréales et aurores australes, plus communément appelées aurores boréales et aurores australes respectivement.

Sur Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, les aurores se forment de la même manière qu'elles se forment sur Terre. Cependant, sur Mars et Vénus, elles se forment très différemment, car aucune de ces planètes ne possède un champ magnétique important.

Le vaisseau spatial Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) de la NASA observe les « lumières de Noël Aurora » sur Mars

Sur Mars, les aurores apparaissent près des zones de roche magnétisée dans la croûte de la planète plutôt qu'à proximité des pôles, lorsque les particules solaires chargées se concentrent vers elles. C'est parce qu'il n'a pas de champ magnétique auto-généré, ne possédant que des « anomalies magnétiques crustales ». Les scientifiques ont découvert que l'emplacement des émissions lumineuses correspondait à l'emplacement des champs magnétiques les plus puissants trouvés sur Mars. On pense que ces anomalies sont les dernières traces du champ magnétique planétaire de Mars, qu'elle a affiché à un moment de son histoire. Ce type de formation d'aurore est totalement unique à Mars pour autant que les scientifiques le sachent.

Vénus

Vous pouvez clairement voir la différence entre les magnétosphères de Vénus (en haut) et de Mars (en bas) par rapport à la Terre

Semblable à Mars, Vénus ne possède pas son propre champ magnétique planétaire, mais des éclairs de lumière provenant de la planète ont été identifiés comme des aurores. Les scientifiques ont découvert que le même processus qui provoque les aurores sur Terre peut former une gigantesque bulle magnétique autour de Vénus, permettant aux aurores de se produire. Cela est possible grâce à Vénus ayant une magnétoqueue, qui a été formée par l'interaction de l'ionosphère et du vent solaire. Le fait qu'une reconnexion magnétique puisse se produire au sein de la queue magnétique de Vénus suggère que les aurores sont à l'origine de la lumière que les scientifiques ont observée en provenance de cette planète.

Saturne

Les aurores de Saturne se produisent près des pôles de la planète, un peu comme elles
faire sur Terre

Les aurores de Saturne diffèrent de celles de la Terre par leur taille, elles peuvent s'étendre à des hauteurs étonnantes de 1 000 kilomètres (621 miles) au-dessus du sommet des nuages ​​de Saturne. Les particules chargées proviennent des vents solaires du Soleil qui soufflent au-delà de la planète. Les particules se brisent en hydrogène dans l'atmosphère polaire de Saturne, ionisant les atomes gazeux, ce qui provoque la libération de photons et conduit aux aurores. Les aurores de cette planète ne sont en fait pas visibles à l'œil humain, du fait que la lumière émise se situe dans un spectre infrarouge et ultraviolet que nous ne pouvons pas voir. On pense que comme sur Jupiter, les lunes de Saturne peuvent également influencer les aurores.

Jupiter

Cette image montre la magnétosphère de Jupiter et comment ses lunes peuvent être impliquées dans la formation des aurores

Bien que certaines des aurores trouvées sur Jupiter se forment de la même manière que celles sur Terre, beaucoup se forment en raison du piégeage de particules dans son propre environnement magnétique. Contrairement à l'aurore principale de Saturne qui change de taille à mesure que les vents solaires varient, l'anneau auroral principal de Jupiter conserve une taille constante. Cela est dû à sa formation par des interactions au sein de son propre environnement magnétique. On pense également que les lunes de Jupiter sont capables d'influencer les aurores. Io, la lune volcanique de Jupiter, est censée produire des gaz qui voyagent dans l'atmosphère de Jupiter, où ils peuvent contribuer à la formation des aurores de la planète.

Uranus

Uranus a une masse plus de 14 fois et demie celle de la Terre

La présence d'aurores sur Uranus a été détectée en 2011 par le télescope spatial Hubble. On pense que cela a été possible en raison de l'activité solaire accrue au cours de cette période, qui a augmenté la quantité de particules chargées transportées par les vents solaires du Soleil. Les aurores formées sur cette planète de glace géante apparaissent loin des pôles nord et sud, contrairement à la Terre. Cela est dû au champ magnétique de la planète, qui est incliné à un angle de 59 degrés par rapport à l'axe de sa rotation. Ces aurores sont plus faibles que leurs homologues terrestres et ne durent que quelques minutes, contrairement à celles de notre planète, qui peuvent durer des heures à la fois.

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Quand voir l'aurore

Un ciel sombre est notre allié pour observer le spectacle éthéré des aurores. Cela signifie que nous ne pouvons pas les voir avec la lumière du jour comme toile de fond. Le « quand » exact de l'apparition de ces jeux de lumière dans le ciel est cependant imprévisible. Le processus repose fortement sur l'activité du Soleil.

Une de ces activités est le cycle solaire. Alors, qu'est-ce que c'est et comment cela affecte-t-il nos observations aurorales ?

Le cycle solaire

Le champ magnétique du Soleil passe par un processus appelé cycle solaire. Il dure environ 11 ans. Cela affecte la surface du Soleil et ses activités. Le début de ce processus est appelé un minimum solaire. Il s'accumule ensuite menant au maximum solaire, où les activités solaires deviennent plus fortes. Finalement, il reviendra au minimum solaire pour démarrer un nouveau cycle.

Connaître le cycle solaire est important pour déterminer la chance de voir une aurore. Le Soleil a le plus de taches solaires pendant le maximum solaire. Les éruptions solaires et autres éruptions à sa surface deviennent plus fréquentes. Ces activités bombardent des particules vers notre atmosphère sous forme de vent solaire. Plus ces vents sont forts, plus les aurores sont importantes dans notre ciel. Le dernier maximum solaire date d'avril 2014.

Nous sommes déjà dans le cycle solaire 25 en 2021. Le minimum solaire était en décembre 2019 tandis que le maximum prévu est en 2025.

C'est une question de timing

Bien que les aurores soient imprévisibles, nous pouvons augmenter nos chances de les voir en vérifiant la météo à venir. Même si le facteur KP est bon si le ciel est couvert de nuages, les conditions ne seront pas bonnes pour l'observation. La première exigence est donc un ciel sombre et clair. D'autres considérations à inclure sont moins de pollution lumineuse.

Les gens voyagent généralement pour voir les aurores boréales d'août à avril. Les activités aurorales culminent autour des mois des équinoxes, en septembre et mars. Dans le ciel austral, les meilleurs mois pour voir des aurores australes sont de mars à septembre.

Les spectacles de lumière naturelle sont généralement observés vers 18h00 à 4h00 du matin, avec la meilleure chance de les voir de 22h00 à 23h00.

Il y a des moments où les aurores peuvent être observées dès 16 heures. C'est pendant la nuit polaire ou lorsque le Soleil ne se lève pas au-dessus de l'horizon. Ce phénomène est à l'opposé du jour polaire (soleil de minuit) lorsque le Soleil brille au-dessus pendant plus de 24 heures.


Comment fonctionnent les aurores

Les aurores sont des indicateurs de la connexion entre la Terre et le soleil. La fréquence des aurores est corrélée à la fréquence de l'activité solaire et au cycle d'activité du soleil de 11 ans.

Comme le processus de fusion se produit à l'intérieur du soleil, il crache des particules de haute énergie (ions, électrons, protons, neutrinos) et des rayonnements dans le vent solaire. Lorsque l'activité du soleil est élevée, vous verrez également de grandes éruptions appelées éruptions solaires et éjections de masse coronale. Ces particules et radiations à haute énergie sont libérées dans l'espace et voyagent dans tout le système solaire. Lorsqu'ils frappent la Terre, ils rencontrent son champ magnétique.

Les pôles du champ magnétique terrestre se trouvent à proximité, mais pas exactement sur ses pôles géographiques (où la planète tourne sur son axe). Les scientifiques pensent que le noyau externe de fer liquide de la Terre tourne et crée le champ magnétique. Le champ est déformé par le vent solaire, se comprimant du côté face au soleil (onde de choc) et étiré sur le côté opposé (magnétoqueue). Les vents solaires créent une ouverture dans le champ magnétique à la cuspides polaires. Les cuspides polaires se trouvent du côté solaire de la magnétosphère (la zone autour de la Terre qui est influencée par le champ magnétique). Regardons comment cela conduit à une aurore.

  1. Lorsque les particules chargées des vents et des éruptions solaires frappent le champ magnétique terrestre, elles se déplacent le long des lignes de champ.
  2. Certaines particules sont déviées autour de la Terre, tandis que d'autres interagissent avec les lignes de champ magnétique, provoquant le déplacement de courants de particules chargées dans les champs magnétiques vers les deux pôles - c'est pourquoi il y a des aurores simultanées dans les deux hémisphères. (Ces courants sont appelés Courants de Birkeland après Kristian Birkeland, le physicien norvégien qui les a découverts - voir encadré.)
  3. Lorsqu'une charge électrique traverse un champ magnétique, elle génère un courant électrique (voir Comment fonctionne l'électricité). Au fur et à mesure que ces courants descendent dans l'atmosphère le long des lignes de champ, ils captent plus d'énergie.
  4. Quand ils frappent le ionosphère région de la haute atmosphère terrestre, ils entrent en collision avec des ions d'oxygène et d'azote.
  5. Les particules impactent les ions oxygène et azote et transfèrent leur énergie à ces ions.
  6. L'absorption d'énergie par les ions oxygène et azote fait que les électrons qu'ils contiennent deviennent "excités" et passent d'orbitales de basse énergie à des orbitales à haute énergie (voir Comment fonctionnent les atomes).
  7. Lorsque les ions excités se relâchent, les électrons des atomes d'oxygène et d'azote retournent à leurs orbitales d'origine. Dans le processus, ils re-rayonnent l'énergie sous forme de lumière. Cette lumière constitue l'aurore et les différentes couleurs proviennent de la lumière rayonnée par différents ions.

Remarque : les particules qui interagissent avec les ions d'oxygène et d'azote dans l'atmosphère ne proviennent pas du soleil, mais ont déjà été piégées par le champ magnétique terrestre. Les vents et les éruptions solaires perturbent le champ magnétique et mettent en mouvement ces particules au sein de la magnétosphère.

Pour plus d'informations sur les aurores, consultez les liens ci-dessous.

En 1895, un physicien norvégien nommé Kristian Birkeland a abordé la question des causes des aurores. Birkeland croyait que les aurores étaient causées par des électrons du soleil qui interagissaient avec le champ magnétique terrestre. Pour tester cela, il a placé un aimant sphérique appelé un terrella à l'intérieur d'une chambre à vide. Il avait également un canon à électrons à l'intérieur de la chambre. Lorsqu'il a allumé le canon, les électrons ont interagi avec le champ de l'aimant et ont produit une aurore artificielle, soutenant son hypothèse.

L'aurore artificielle de Birkeland n'a pas montré l'anneau ovale caractéristique. L'anneau auroral a en fait été prédit par un étudiant japonais diplômé nommé Shun-ichi Akasofu en 1964. Il a examiné des photographies d'aurores et a conclu que les aurores étaient des anneaux. Alors, pourquoi les aurores de Birkeland n'étaient-elles pas ovales ? Birkeland pensait que les électrons qui excitaient les ions oxygène et azote venaient directement du soleil. Ce n'est que lorsque les satellites ont commencé à étudier les aurores et à mesurer la magnétosphère que les scientifiques ont compris que les électrons provenaient de la magnétosphère elle-même. Lorsque cette idée a été placée dans des modèles mathématiques, les anneaux auroraux ont pu être expliqués.


A quoi ressemblent les aurores sur d'autres planètes ?

Être témoin d'une aurore de première main est une expérience vraiment impressionnante. La beauté naturelle des aurores boréales ou australes captive l'imagination du public contrairement à tout autre aspect de la météo spatiale. Mais les aurores ne sont pas uniques à la Terre et peuvent être vues sur plusieurs autres planètes de notre système solaire.

An aurora is the impressive end result of a series of events that starts at the sun. The sun constantly emits a stream of charged particles known as the solar wind into the depths of the solar system. When these particles reach a planet, such as Earth, they interact with the magnetic field surrounding it (the magnetosphere), compressing the field into a teardrop shape and transferring energy to it.

Because of the way the lines of a magnetic field can change, the charged particles inside the magnetosphere can then be accelerated into the upper atmosphere. Here they collide with molecules such as nitrogen and oxygen, giving off energy in the form of light. This creates a ribbon of color that can be seen across the sky close to the planet’s magnetic north and south poles – this is the aurora.

Gas Giant Auroras

Using measurements from spacecraft, such as Cassini , or images from telescopes, such as the Hubble Space Telescope , space physicists have been able to verify that some of our closest neighbors have their own auroras. Scientists do this by studying the electromagnetic radiation received from the planets, and certain wavelength emissions are good indicators of the presence of auroras.

Each of the gas giants (Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune) has a strong magnetic field, a dense atmosphere and, as a result, its own aurora. The exact nature of these auroras is slightly different from Earth’s, since their atmospheres and magnetospheres are different. The colors, for example, depend on the gases in the planet’s atmosphere. But the fundamental idea behind the auroras is the same.

For example, several of Jupiter’s moons, including Io, Ganymede and Europa, affect the blue aurora created by the solar wind. Io, which is just a little larger than our own moon, is volcanic and spews out vast amounts of charged particles into Jupiter’s magnetosphere, producing large electrical currents and bright ultraviolet (UV) aurora.

On Saturn, the strongest auroras are in the UV and infrared bands of the color spectrum and so would not be visible to the human eye. But weaker (and rarer) pink and purple auroras have also been spotted .

Mercury also has a magnetosphere and so we might expect aurora there too. Unfortunately, Mercury is too small and too close to the sun for it to retain an atmosphere, meaning the planet doesn’t have any molecules for the solar wind to excite and that means no auroras.

The Unexpected Auroras

On Venus and Mars, the story is different. While neither of these planets has a large-scale magnetic field, both have an atmosphere. As the solar wind interacts with the Venusian ionosphere (the layer of the atmosphere with the most charged particles), it actually creates or induces a magnetic field. Using data from the Venus Express spacecraft, scientists found that this magnetic field stretches out away from the sun to form a “magnetotail” that redirects accelerated particles into the atmosphere and forms an aurora.

Mars’s atmosphere is too thin for a similar process to occur there, but it still has aurora created by localized magnetic fields embedded in the planet’s crust. These are the remnants of a much larger, global magnetic field that disappeared as the planet’s core cooled. Interaction between the solar wind and the Martian atmosphere generates “discrete” auroras that are confined to the regions of crustal field.

A recent discovery by the MAVEN mission showed that Mars also has much larger auroras spread across the northern hemisphere, and probably the whole planet too. This “diffuse” aurora is the result of solar energetic particles raining into the Martian atmosphere, rather than particles from the solar wind interacting with a magnetic field.

If an astronaut were to stand on the surface of Mars, they might still see an aurora but it would likely be rather faint and blue, and, unlike on Earth, not be necessarily near the planet’s pole.

Most planets outside our solar system are too dim compared to their parent star for us to see if they have auroras. But scientists recently discovered a brown dwarf (an object bigger than a planet but not big enough to burn like a star) 18 light years from Earth that is believed to have a bright red aurora. This raises the possibility of discovering other exoplanets with atmospheres and magnetic fields that have their own auroras.

Such discoveries are exciting and beautiful, but they are also scientifically useful. Investigating auroras gives scientists tantalizing clues about a planet’s magnetic and particle environment and could further our understanding of how charged particles and magnetic fields interact. This could even unlock the answers to other physics problems, such as nuclear fusion .

This article was originally published on The Conversation . Lire l'article original.


What Makes the Northern Lights Appear on Earth?

There are numerous beautiful stories of folklore about what makes the Northern Lights appear. From the Finnish tales of an Arctic Fox running across the Arctic skies, to the reflecting armour of the Norse mythological Valkyrie warriors preparing for battle, as well as the more sentimental dances of our ancestors above.

In the past, folklore has led to countless interpretations and meanings behind this wonderful phenomena. But in the last 150 years, our scientific understanding of what causes both the Aurora Borealis and Aurora Australis on Earth has advanced dramatically.

It All Starts on the Sun

It all starts at the Sun’s atmosphere, which is known as the Corona (nothing to do with the virus or the beer!).

The temperature of the Corona is at roughly 1 million degrees Celsius, making it a plasma filled with a large number of electrically charged particles.

These particles move very quickly, so quickly that they regularly break away from the Sun and stream away in what’s known as the solar wind.

This solar wind then travels at several hundred kilometres per second, which, when it’s facing in the Earth’s direction, can cause it to hit the Earth with a great amount of the Sun’s solar energy.

The Earth Magnetic Field

The Earth, however, has a natural magnetic field which protects us from the bulk of the Sun’s electrically charged particles.

This magnetic field covers the entire planet because the Earth’s outer core is made of a huge mass of molten iron. The convection currents cause the molten iron to rise, and the Earth’s constant rotation causes it to spiral around.

As iron is an electrically conducting substance, this circular flow creates what is known as a dynamo, which creates a magnetic field around our planet shielding us from the Sun’s cosmic rays.

Our magnetic field then reaches out through the surface of the Earth and out into space. When our magnetic field is hit by the Sun’s escaped plasm — filled with a soup of electrically charged particles — it pushes the magnetic field on the dark side of the Earth back like an elastic band.

Once the magnetic field is sufficiently stretched out, it snaps back, accelerating all of the electrically charged particles like a slingshot towards the Earth up and down the field lines at the Earth’s poles.

The Sun’s particles then hit molecules of Oxygen and Nitrogen in our atmosphere which excites these molecules and emits the energy in the colours we are able to see in places like Iceland.

Because of its impact on the poles, the aurora can also be seen in a great many other lucky locations such as the Nordic countries and Canada in the northern hemisphere, and parts of Antarctica (as well as parts of New Zealand and Australia occasionally) in the southern hemisphere.


Source: Space.com, 2015


Auroras of different planets

I was going to say “ Jupiter’s one my look amazing from the surface.” Then I remembered about the 30 miles of clouds and the hydrogen and helium.

There's probably a nice part of Jupiter's atmosphere where you could float a platform at Earth surface pressure, and the view would be great from there.

also, that there is no surface :P

30 miles? It's a bit more than that

30 miles or thousands of miles? It’s kinda turtles all the way down.

u cant see it its not in the visible light spectrum. earths aurora is the only one in the visible light spectrum

The different colors are interesting. Do we know what causes that?

The Jupiter image is taken in the ultraviolet (the main emission is atomic hydrogen Lyman-alpha emission at 1218 Angstoms, 121.8 nm), so this has been colourised in blue, since we can't see the actual emission brightness. This is pasted over a visible image of the planet for the prettiness.

The Saturn image is, I believe, just an illustration - it doesn't look real me. But Saturn's aurora are very similar to Jupiter typically observed in the UV. Both these planet's have visible aurora caused by the Balmer series of H emission, along with a blend of molecular hydrogen emissions. Our observations of these suggest that the aurora of these planets would look pinkish-purple to the human eye.

I observe the aurora of both in the infrared - again not visible with the human eye.

The aurora of Earth is green because of a single wavelength transistion of oxygen. There are also red transitions for both oxygen and nitrogen.


What is the Aurora Borealis?

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The aurora (plural aurorae) borealis has many other names: northern lights, northern polar lights, polar lights, and more. An aurora borealis is light seen in the sky, nearly always at night, in the northern hemisphere, commonly green but also red and (rarely) other colors often in the shape of curtains, sheets, or a diffuse glow (when seen from the ground). Northern lights are most often seen at high latitudes – Alaska, Canada, northern Scandinavia, Greenland, Siberia, and Iceland – and during maxima in the solar cycle.

Aurora australis – southern lights – is the corresponding southern hemisphere phenomenon.

Seeing a bright auroral display may be on your list of ‘things to see before I die’! Yep, they are nature’s light show par excellence.

Aurora borealis occur in the Earth’s ionosphere, and result from collisions between energetic electrons (sometimes also protons, and even heavier charged particles) and atoms and molecules in the upper atmosphere. The ultimate origin of the energy which powers the aurora borealis is the Sun – via the solar wind – and the Earth’s magnetic field. Interactions between the solar wind (which carries its own tangled magnetic fields) and the Earth’s magnetic field may cause electrons (and other particles) to be trapped and accelerated those particles which do not escape ‘downstream’ to the magnetic tail ‘touch down’ in the atmosphere, close to the north magnetic pole.

The different colors come from different atoms or ions green and red from atomic oxygen, nitrogen ions and molecules make some pinkish-reds and blue-violet purple is the appearance of combined colors from nitrogen ions and helium neon produces the very rare orange. The ionosphere is home to most aurorae borealis, with 100-300 km being typical (this is where green is usually seen, with red at the top) however, some particularly energetic particles penetrate much deeper into the atmosphere, down to perhaps 80 km or lower (purple often comes from here).

Viewed from space, when the northern lights are intense they appear as a ring (an oval actually), the auroral zone, with the north magnetic pole near the center.

The University of Alaska Fairbanks’ Geophysical Institute has a good FAQ on the aurora borealis.

Magnetic fields plus solar wind … so you’d expect aurorae on Jupiter and Saturn, right? And auroral displays around the magnetic poles of these planets are now well documented. Aurorae have also been imaged on Venus, Mars, Uranus, Neptune, and even Io.


Voir la vidéo: Aurinkokunta (Janvier 2022).