LESIA - Observatoire de Paris

Le phénomène

jeudi 22 janvier 2009, par Renée Prangé et Laurent Pallier

La magnétosphère

Les particules chargées à l’origine du phénomène des aurores polaires sont contenues dans la magnétosphère, espace autour d’une planète où règne son champ magnétique propre. La figure montre en coupe l’allure de la magnétosphère terrestre formée par les lignes de champ.

Coupe de la magnétosphère terrestre en trois dimensions.
Coupe de la magnétosphère terrestre en trois dimensions.

D’après M. Kivelson et C.T. Russel, Introduction to Space Physics, Cambridge University Press.

En première approximation, le champ magnétique terrestre est analogue à celui crée par un aimant droit avec deux pôles nord et sud (on parle de ligne de champs dipolaires). Ces deux pôles seraient reliés par des lignes de champ de façon symétrique si la Terre était seule dans l’espace. Or le flux de particules chargées émis par le Soleil de façon continue, le vent solaire, exerce une pression sur les lignes de champ en les comprimant côté jour (hémisphère exposé au Soleil) et en les étirant en une longue queue magnétique côté nuit.

L’interaction entre le vent solaire, qui transporte le champ magnétique interplanétaire, et le champ magnétique terrestre crée un système de courants électriques complexes dans la magnétosphère.

Certains de ces courants électriques se propagent le long des lignes de champ magnétique. On dit qu’ils sont « alignés » (sous-entendu : alignés avec le champ magnétique). Les courants alignés jouent un rôle fondamental dans la physique des aurores boréales et australes. En effet, c’est à l’endroit où de tels courants rencontrent la haute atmosphère de la planète que se forment les aurores polaires.

Orientation des axes magnétiques (vert) des principales planètes du système (...)
Orientation des axes magnétiques (vert) des principales planètes du système solaire par rapport à leur axes de rotation (jaune)

Illustration Laurent Pallier

Mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique planétaire

La figure permet d’illustrer le mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique dipolaire comme celui de la Terre.

Les points miroirs
Les points miroirs

Illustration de Laurent Pallier

Une particule chargée, animée d’une vitesse v, décrit une hélice (en noir sur la figure) autour d’une ligne de champ (en rouge sur la figure) dont le rayon diminue lorsque la particule approche des pôles magnétiques (plus le champ magnétique est fort, moins ce rayon est grand). Dans le même temps, la composante de la vitesse le long de la ligne de champ diminue, à tel point que parfois elle s’annule. La particule repart alors en sens inverse vers l’autre pôle où le même phénomène se produit. Les deux points de rebroussement de la particule s’appellent des points miroir. Entre ces deux points, la particule est " piégée " (le champ magnétique en ces points est noté Bm).

La position de ces deux points sur la ligne de champ dépend de l’angle « α » entre le vecteur vitesse « v » et le champ magnétique « B » à l’équateur. Plus cet angle est faible, plus les points miroir sont proches de la planète. Si les points miroir se situent dans la haute atmosphère, la particule les approchant n’y subit plus seulement l’influence du champ magnétique.

La haute atmosphère est assez dense, et la particule interagit avec ses voisines, par le biais de collisions. Dans ce cas, la particule heurte les atomes et molécules et perd de son énergie au profit de ces derniers. Les atomes et molécules ayant gagné de l’énergie l’emmagasinent un court instant, puis la ré-émettent, en produisant un photon, c’est à dire de la lumière.

En d’autre termes, l’énergie due au mouvement des électrons a été convertie, après une collision, en énergie lumineuse. Cette lumière est celle des aurores polaires. Dans l’atmosphère terrestre par exemple, les raies verte et rouge de l’oxygène atomique sont produites respectivement vers 100 km et 250 km d’altitude (voir photo dans "un phénomène rare à nos latitudes" ).

L’ovale aurorale

Structures permanentes, les ovales auroraux terrestres ne peuvent être vus dans leur totalité par un seul observateur que depuis l’espace, comme le montre la photo réalisée dans l’UV par le satellite en orbite polaire Dynamic Explorer (NASA). Les ovales auroraux sont presque constamment observables, mais leur lueur est due à des aurores diffuses, faibles, peu remarquables depuis le sol. Lors des sous-orages, des aurores brillantes (qualifiées de discrètes, non pas parce qu’elles sont peu remarquables –bien au contraire, mais parce qu’on peut les compter) illuminent plus intensément certaines parties de l’ovale auroral (surtout du coté « nuit »).

Les particules à l’origine des aurores brillantes dans les ovales (un autour de chaque pôle magnétique) proviennent du feuillet de plasma équatorial, une région de la queue de la magnétosphère. Ces particules, depuis la queue de la magnétosphère, suivent un chemin le long des lignes de champ magnétique, là ou s’écoulent des courants électriques alignés. Entraînées dans ces courants, les particules du feuillet de plasma précipitent dans l’ovale auroral qui n’est autre que la projection dans la haute atmosphère (vers 110 km environ) de la coquille magnétique qui contient le feuillet.

L’ovale auroral est centré sur chaque pôle magnétique. La latitude idéale pour observer les aurores correspond au lieu où se projettent dans la haute atmosphère de la Terre, les lignes de champ connectées au feuillet de plasma : typiquement 60 à 75 degrés de latitude magnétique.

L'ovale auroral terrestre sud au dessus de l'Antarctique vu dans (...)
L’ovale auroral terrestre sud au dessus de l’Antarctique vu dans l’ultraviolet (130 nm) par le satellite en orbite polaire Dynamic Explorer

Les continents sont représentés en vert. L’arc auroral transpolaire au centre de l’ovale qui apparait quelquefois permet de qualifier cette configuration d’aurore théta.