Perles aurorales vues de la Station spatiale internationale, le 17 septembre 2011. © Nasa
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Un secret des mystérieuses aurores polaires percé par Themis

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[EN VIDÉO] Kézako : comment se forment les aurores polaires ?  Les aurores polaires résultent de l’interaction entre les particules éjectées par le Soleil et la magnétosphère terrestre. Elles se manifestent dans le ciel sous forme de lumières allant du vert au rouge. Cet épisode de Kézako, d'Unisciel et de l’université de Lille 1, nous explique ce superbe phénomène. 

Les perles aurorales sont des structures dans le plasma à l'origine des aurores polaires. La conjonction de nouvelles et puissantes simulations numériques, avec les données prises par les satellites de la mission Themis qui étudient la magnétosphère de la Terre, permet enfin, semble-t-il, de faire le jour sur le mystère de la formation de ces structures.

Enfants, certains rêvent devant les éruptions volcaniques et deviennent plus tard des volcanologues et des géophysiciens ou encore des géochimistes internes. D'autres sont inspirés par les nuages au même âge ou par les aurores polaires, comme la sœur de Richard Feynman, Joan Feynman, qui vient, hélas, de décéder. Ils deviennent alors des géophysiciens externes et étudient les mystères de l'atmosphère et de l'ionosphère.

Dans ce dernier cas, ils sont aidés depuis quelques années par une constellation de satellites équipés de magnétomètres et qui constituent la mission Themis (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) de la Nasa. Ces instruments de la noosphère complètent d'autres yeux de l'humanité en orbite qui surveillent les colères du Soleil, tels Parker Solar Probe.

Les éruptions solaires génèrent en effet des paquets de plasma constitués de particules chargées formant un quatrième état de la matière et qui entrent alors en collision avec le bouclier magnétique de la Terre (voir la vidéo de Kézako ci-dessus). Il se produit alors des orages magnétiques à l'endroit du choc entre les bouffées solaires et le cocon formé de la magnétosphère de notre Planète bleue.

Des particules chargées de hautes énergies s'enroulent alors autour des lignes de champs magnétiques et remontent en direction des pôles. En entrant en collision avec les atomes et les molécules d'hydrogène, d'oxygène et d'azote de la haute atmosphère, elles génèrent les somptueuses draperies que l'on connait en provoquant l'émission de rayonnement par ces corpuscules.

La géophysicienne Joan Feynman a consacré sa vie à l'étude des aurores polaires. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ReidGower

Des paquets de plasma avec des orages magnétiques

Les particules du vent solaire, notamment les électrons tueurs, sont déjà délétères pour les satellites en orbite mais les variations magnétiques des orages accompagnant ces particules peuvent induire des champs électriques destructeurs pour les réseaux terrestres. Bref, on l'aura compris, notre civilisation, tellement dépendante des réseaux de télécommunication satellitaire et des lignes de courant au sol, se doit de prévoir les colères du Soleil et de comprendre ce qui se passe dans la magnétosphère à cette occasion.

Lors des orages magnétiques, il se produit également ce que l'on appelle des sous-orages (substorms en anglais), ce qui désigne en fait justement la cause directe des aurores polaires. Indépendamment de notre volonté de comprendre tous les phénomènes de la nature, notamment lorsqu'ils sont spectaculaires, la compréhension des aurores polaires peut nous aider à développer une sorte de météorologie spatiale, voire à détecter des exoplanètes.

Les membres de la collaboration Themis viennent de faire savoir via un communiqué de la Nasa -- qu'accompagnent deux publications dans de prestigieux journaux de géophysique -- qu'en utilisant les données collectées par les satellites et de puissantes simulations numériques des plasmas turbulents qui se développent à l'occasion des orages solaires, ils avaient fait un nouveau pas en avant dans la compréhension des structures à plus petites échelles dans ces plasmas. Ils comprennent mieux en particulier les structures en forme de perles qui s'étendent presque comme si elles constituaient un collier. Ils ont également réalisé que ces structures se produisaient avant l'apparition des sous-orages magnétiques et qu'elles pouvaient avoir un rôle dans leur genèse.

C'est ce qu'explique dans un communiqué du Goddard Space Flight Center de la Nas à Greenbelt (Maryland) l'un des scientifiques de Themis, David Sibeck : « On s'est rendu compte que, finalement, ces événements transitoires de relativement petite taille qui se produisent autour de la magnétosphère sont importants ». S'il a fallu aux géophysiciens du temps pour le réaliser, c'est parce que « nous ne sommes arrivés que récemment au point où la puissance de calcul est suffisamment élevée pour capturer la physique de base de ces systèmes », précise le chercheur.

Une présentation des perles aurorales étudiées avec Themis. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Son collègue et coauteur, Slava Merkin, du Center for Geospace Storms de la Nasa, basé au Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins à Laurel (Maryland) le confirme lorsqu'il explique que « cela nécessite des algorithmes très sophistiqués et de très gros superordinateurs ». Il faut, en effet, articuler des descriptions de phénomènes se déroulant à des échelles spatio-temporelles différentes montrant que les structures en perles à petites échelles, quelques centaines à quelques milliers de kilomètres, influent sur les plus grandes s'étendant sur des millions de kilomètres.

« Afin de comprendre ces caractéristiques dans les aurores boréales, vous devez vraiment prendre en compte les phénomènes à des échelles mondiales et locales. C'est pourquoi c'était si difficile jusqu'à présent », renchérit Slava Merkin dans le communiqué de la Nasa.

Une instabilité de Rayleigh-Taylor et des reconnexions magnétiques

Auparavant, les géophysiciens avaient déjà découvert avec Themis qu'un des facteurs de l'occurrence de sous-orages magnétiques menant aux aurores polaires était le phénomène de reconnexion magnétique des lignes de champ de la magnétosphère terrestre. Ce même phénomène se produit à la surface du Soleil lors de ses éruptions. Ces lignes se déforment, se coupent et se recollent dans une autre configuration, ce qui libère beaucoup d'énergie, énergie qui se retrouve portée par des particules accélérées à de grandes vitesses.

Comme le montrent des images des simulations dans la vidéo ci-dessus, les paquets de plasma solaire entrant en interaction avec la magnétosphère de la Terre y créent des bulles de plasma flottantes dans cette magnétosphère, à l'arrière de notre Planète relativement à la partie éclairée par le Soleil. Comme une lampe à lave, les différences de flottabilité entre les bulles et le plasma plus lourd, propre à la magnétosphère de la Terre, créent des doigts de plasma de plusieurs milliers de kilomètres.

Le phénomène n'est pas sans rapport avec celui des doigts d'eau salée entre des couches de densités différentes que les océanographes connaissent bien et qui sont des manifestations en mécanique des fluides de la fameuse instabilité de Rayleigh–Taylor. Rappelons qu'il s'agit d'une instabilité de l'interface séparant deux fluides de densité différente, et qui résulte de la poussée du fluide le plus lourd sur le fluide le plus léger. Les signatures de ces doigts dans le cas des aurores sont justement les structures en forme de perles distinctes dans une aurore polaire et ce serait ces doigts de plasma qui déformeraient les lignes de champs magnétiques jusqu'à produire des reconnexions.

C'est encore un bel exemple de physique non-linéaire car les nouvelles simulations numériques correspondent presque parfaitement aux observations de Themis, de sorte que les géophysiciens sont impatients de les appliquer à d'autres phénomènes auroraux inexpliqués, en particulier les structures à petite échelle, comme l'explique Kareem Sorathia, auteur principal de l'un des nouveaux articles et scientifique du Center for Geospace Storms de la Nasa, dont le siège est au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory :  « Il y a beaucoup de structures très dynamiques et à très petite échelle que les gens voient dans les aurores boréales et qui sont difficiles à connecter à l'image à plus grande échelle dans l'espace car elles se produisent très rapidement et à très petite échelle. Maintenant que nous pouvons utiliser des modèles mondiaux pour les caractériser et les étudier, cela ouvre de nombreuses nouvelles portes».

  • Les perles aurorales sont des structures de quelques milliers de kilomètres tout au plus dans le plasma à l'origine des aurores polaires autour de la Terre.
  • La conjonction de nouvelles et puissantes simulations numériques avec les données prises par les satellites de la mission Themis permet d'éclairer d'un jour nouveau le mystère de la formation de ces structures à l'occasion notamment des éruptions solaires produisant des orages magnétiques.
  • Sont impliqués la reconnexion magnétique et l'instabilité de Rayleigh–Taylor.
  • Ces connaissances devraient nous aider à prédire ces orages magnétiques et à se prémunir de leurs dangers pour la technologie moderne.
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