Caractéristiques des Aurores

Les différentes caractéristiques des aurores polaires

Dans cette partie on va s’intéresser aux couleurs, attitudes, formes, étendues, compositions des aurores polaires.

A. Description générale

Les aurores polaires au nord sont appelées aurores boréales et au sud aurores australes.
Il existe différents types d’aurores polaires. Leur couleur et leur forme varient en fonction de certains critères :

Tout comme les étoiles, les aurores polaires sont présentes le jour mais leur faible luminosité ne les rend observables que la nuit.
Nos yeux ne perçoivent leurs couleurs qu'à 75% mais les appareils photos sont capables de donner des résultats à près de 100%. Près de 25 couleurs différentes sont atteintes mais les plus fréquentes sont le vert, le jaune, le rouge, le bleu et le violet.

Les couleurs peuvent être expliquées par la théorie de Bohr : c'est-à-dire un retour à l'état fondamental des espèces excitées s'accompagnant
d'une émission de lumière. Les principales raies ou bandes émises par les aurores proviennent des atomes d'azote et d'oxygène sous forme de N2 (diazote) , O (oxygène), O2 (dioxygène) , N (azote) et NO (monoxyde d'azote).

Diazote (N2)314,4 nm (violet)
Oxygène (O)557,7 nm (vert/ jaune) 
636,4 nm (rouge)
Dioxygène (O2)ultraviolet
Azote (N)520,0 nm (rouge)
N (ionisé)bleu/violet
NO et NO2un fond continu peu intense dans le visible
Tableau des gaz de l’atmosphère et leurs couleurs respectives

Les couleurs des aurores polaires sont le résultat de réactions chimiques, dans l'atmosphère et la haute atmosphère terrestre, entre les particules solaires (c'est-à-dire les protons, électrons et ions issus des vents solaires) et les molécules gazeuses présentes dans le milieu.

Les éléments chimiques principaux que l'on retrouve dans l'atmosphère sont l'Azote et l'Oxygène et l'Hydrogène présents sous différentes formes (molécules, ions).

Lorsqu'ils sont percutés par les particules solaires, ils reçoivent leur l'énergie. Les particules atmosphériques se trouvent ainsi dans un état excité.

Elles vont alors chercher à retourner dans leur état fondamental, qui est leur état de plus basse énergie et donc le plus stable. Cette désexcitation s'accompagne de l'émission d'un rayonnement électromagnétique sous forme de raies ou de bandes (une bande est constituée de plusieurs raies). Ce qui explique les couleurs observées. Mais seulement un faible pourcentage de l'énergie globale se manifeste sous la forme de lumière visible.

Chaque composant (atome ou ion) émet une couleur différente selon l'énergie qu'il a reçu lors des collisions avec les autres composants. Les molécules et les atomes varient en fonction de l'altitude. On peut ainsi comprendre que les couleurs varient avec l'altitude. De plus, la vitesse d'arrivée des particules solaires et l'état d'excitation (neutre ou chargé) des gaz atmosphériques influent aussi sur les couleurs observées.


Quand on observe une aurore polaire, on a souvent l'impression qu'elle se produit au niveau des nuages mais en réalité le phénomène se produit dans l'atmosphère et la haute atmosphère, de 90 km à 1000 km. Même si certains rayons (rouges) peuvent atteindre plus de 500 km, la plupart des aurores polaires se retrouvent entre 90 et 150 km.

Couleurs des aurores boréalesVertesRougesBleues/Violettes
Altitudes d'apparitionEntre 100 km et 120 kmEntre 200 km et 300 kmPlus de 300 km 
Longueurs d'onde558nm630nm400nm 
Tableau des couleurs des aurores en fonction de leurs altitudes d’apparition et leurs longueurs d’onde
CouleursLongueurs d'onde (en nm)Couleurs complémentaires 
Violet420Vert-Jaune 
Violet - Bleu440
Bleu moyen470Jaune 
Bleu-vert500
Vert moyen530Pourpre 
Vert-Jaune560
Jaune moyen580Bleu 
Jaune-orangé590
Orangé moyen600Bleu- verdatre 
Orangé-rouge610
Rouge moyen650Vert-bleu 
Rouge extreme780
Tableau des couleurs et leurs complémentaires en fonction de leurs longueurs d’onde

B. Classification des formes aurorales


On peut classer les aurores boréales en fonction de différents critères, énumérés ci-dessous :


La date et l’heure T.U. de l’observation

Les conditions de l’aurore

-Calme: L'aurore présente des changements de position ou d’aspect
-Active: sa position et son aspect changent rapidement
-Pulsante: on observe des fluctuations de brillance assez rapides et souvent rythmiques avec une période allant de 1seconde à 1 minute.


La qualification de l’aurore

-Multiple: deux ou plusieurs formes de même espèce, grossièrement parallèles. L'indice numérique indique le nombre de formes.
-Fragmentaire: fraction d'arc ou de bande.
-En couronne: forme située au voisinage du zénith magnétique, prenant l'aspect d'un éventail ou d'une couronne.


La structure de l’aurore

-Homogène: on remarque une absence de structure interne au sein d'une forme dont la brillance est uniforme ou change graduellement.
-Striée: Fines stries ou filaments irréguliers à peu près parallèles au bord inférieur.
-Rayée : présence de rayons alignés suivant la direction des lignes de force du champ magnétique terrestre.


La forme de l’aurore

-Compacte: forme ayant l'aspect de bandes ou d'arcs, caractérisés par la continuité de leur bord inférieur. Il existe 2 formes:
*forme d'arc légèrement incurvé ou portion d'arc, au bord inférieur régulier.
*forme de bande, au bord inférieur irrégulier comportant boucles ou plis.

-Diffuse:
*composée de taches, de formes diffuses aux contours mal définis.
*composée de voiles, à la luminosité uniforme, seule ou fond sur lequel se détachent d'autres formes.
*en forme de rayons, isolés, en faisceau ou dispersés.
*de forme non identifiable


La brillance de l’aurore

La brillance d’une aurore peut être :
-Faible les formes ont l'aspect de bandes ou d'arcs dont la brillance est comparable à la Voie Lactée
-Comparable à l'éclat de cirrus éclairés par la Lune
-Comparable à l'éclat de cumulus éclairés par la Lune
-Nettement plus brillante que des cumulus éclairés par la Lune


La couleur de l’aurore

Les aurores peuvent être monochromes ou polychromes:
Coloration rouge observable uniquement dans la partie supérieure de la forme aurorale.
Coloration rouge observée au bord inférieur
Couleur blanche, verte ou jaune
Couleur rouge
Couleur rouge et verte
Couleur bleu ou pourpre
Catégorie supplémentaire: irisée

Tirée de l’ouvrage «Aurores boréales et australes»- de Michel fehrenbach - Gilles Dawidowicz et Rémy Marion

C. Les principales formes aurorales

Les formes des aurores boréales varient selon l’heure de la journée. Par exemple, en soirée on observe une position calme et statique à l'horizon, habituellement sous la forme d'un long arc courbé. 

Pendant 45 minutes, il y a les phénomènes d’activation et d’excitation de l’aurore. Puis il y a un retour dans sa forme initiale…

Après une aurore, possible qu'une autre suive dans les heures après. Si forte activité solaire, les latitudes moyennes et basses auront de bonnes manifestations pour les nuits à venir.


Description des différentes formes aurorales :

Arcs : Cette forme s'entend d'un bout à l'autre à l'horizon, sa longueur peut aller jusqu’à 1000 kilomètres et son épaisseur est inférieur à 5 kilomètres. C'est un modèle (tranquille) typique des périodes de basse activité solaire. Cette forme apparaît souvent avant minuit, et elle est de seule couleur verte. 


                                                 
   



Bandes-colonnes tourbillons: Ces formes correspondent à la phase active (moyenne à élevée) de l'aurore. Les bandes ressemblent à un fragment d'arc, mais avec la bordure inférieure de la bande qui forme des replis, des spirales ou des circonvolutions. 
Les bandes peuvent être :

-calmes (relativement statique)
-actives et mouvantes (brillances soudaines qui se déplacent horizontalement le long de la formation).
-flamboyantes (éclats soudains de lumière qui apparaissent à la base de la formation et embrasent celle-ci jusqu'au sommet puis disparaissent). 
Ces formes peuvent aussi être rayées. Elles sont constituées de raies et de rideaux plus ou moins homogènes. Vertes, éventuellement avec du violet à la base, elles peuvent dans leur partie supérieure plus floue etre colorées en rouge.





Couronnes- faisceaux- radiantes: la couronne présente des sommets avec une base de croisement, elle est au zénith et ouvre dans toutes les directions. Il y a de multiples possibilités de formes comme des faisceaux rejetés dans toutes les directions. La couronne correspond à des périodes d'activité solaire élevées, elle a ainsi des mouvements et des variations très rapides. Ces aurores peuvent être multicolores.





Rayonnantes- raies- rideaux : Ces formes constituent des rayons ou traits de lumière brillante, suspendus plus ou moins verticalement. Les aurores rayonnantes forment spirales ou tourbillons compacts de lumière vus de côté. Elles sont souvent multicolores.
Plus précisement, s’il s’agit d’une forme en rideau, les largeurs et les longueurs des rayons complètent une grande partie du ciel dans des vagues d'ondulations et de formes spirales. De plus l'intensité de la lumière change régulièrement. C'est un modèle d'activité solaire forte.





Taches- voiles-diffuses-pulsantes: Ces formes apparaissent durant la phase de recouvrement (l’aurore n’est pas en action) à la fin d'un sous-orage (phénomènes explosifs à l’origine des aurores boréales). Il s'agit de zone diffuse de luminosité faible : tâche, ou grande extension : voile, ayant l'apparence de nuages, parfois couvrant le ciel entier. Les tâches peuvent aussi être pulsantes et mobiles ou animées de variations d'intensité en changeant d'éclat et de luminosité.





Aurore en theta: Elles ne sont visibles que dans l'ovale auroral. Une grande bande lumineuse traverse l'ovale, alignée avec la direction du soleil, ces phénomènes qui furent détectés par les caméras grand champ ne furent vraiment mis en évidence que par les satellites. Ils correspondent à des changements du plasma du vent solaire du coté jour de la magnétopause.


Aurore noire: Il y a absence totale d'émission lumineuse dans le ciel, le ciel est d'un noir profond, ce phénomène se produit parfois durant la phase de recouvrement.
Source images: «Aurores boréales et australes» par Michel fehrenbach, Gilles Dawidowicz et Rémy Marion
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