LESIA - Observatoire de Paris

Sur les autres planètes du système solaire

2008-11-19T20:19:08Z

Sommaire

Mercure
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Vénus
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Terre
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Mars
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Jupiter
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Saturne
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Uranus
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Neptune
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Mercure

La plus proche planète du Soleil, malgré sa petite taille, possède un champ magnétique mais elle est dépourvue d'atmosphère dense. On a cependant observé depuis la Terre des émissions de lumière dans les régions polaires dues à des atomes de sodium qui diffusent le rayonnement solaire (voir ci-dessous). On pense que ces atomes sont arrachés au sol par l'impact de particules chargées précipitées le long des lignes de champ magnétique dans les cornets polaires. Visitée par une seule sonde spatiale (Mariner 10) en 1974, la magnétosphère de Mercure demeure cependant mal connue.


"Aurores" sur Mercure : émission des atomes de sodium à 589 nm.: Sur chaque panneau, on observe à gauche le rayonnement solaire réfléchi par la planète et à droite les emissions aurorales localisées près des pôles. Avec l'autorisation de A.E. Potter et T.H. Morgan (NASA), Kitt Peak (Arizona, USA)


Mercure vue par Mariner 10 en 1974 (NASA).

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Présentation générale des aurores polaires

2008-11-19T19:56:17Z

Sommaire

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Historique

Les aurores polaires constituent probablement l'un des plus impressionnant spectacle de la nature. Observées depuis longtemps par les peuples nordiques comme le relatent leurs légendes, ce phénomène naturel, observable depuis les hautes latitudes, n'a pas été étudié par les Grecs de l'Antiquité. Seul Pythéas, le navigateur phocéen du 5ème siècle avant notre ère, a observé des aurores boréales lors de son voyage en mer du Nord.

Il faut attendre le 18ème siècle pour que des tentatives d'explication scientifique du phénomène soient proposées. La présence d'émissions aurorales autour du pôle nord magnétique suggère une relation avec le champ magnétique terrestre et un lien fut établi entre magnétisme terrestre et activité solaire. En 1879 H. Becquerel propose une explication par la précipitation de particules chargées originaires du soleil guidées par le champ magnétique terrestre jusqu'aux régions aurorales.

: Photo de Philippe Moussette

Des observations réalisées par K. Birkeland en 1902 et 1903 au nord de la Norvège ont montré que des courants électriques circulant le long des lignes de champ magnétique pouvaient être à l'origine des aurores. Les phénomènes de luminescence et la déviation des faisceaux de particules par des champs électriques et magnétiques dans les tubes de Crookes ont renforcé ces premières hypothèses et ont initié des expériences de laboratoire à la fin du 19ème siècle. (voir la Terrella de Birkeland.)

Au début du 20ème siècle, A. Kennelly et O. Heaviside ont postulé l'existence de l'ionosphère, couche supérieure ionisée et conductrice de l'atmosphère terrestre, pour expliquer les transmissions radio transatlantiques. Son existence fut établie et son altitude mesurée dans les années 1920 par l'envoi d'impulsions radio à incidence verticale, tandis que les émissions aurorales visibles ont été identifiées par spectroscopie par H. Babcock. J. Mac Lennan a montré par exemple que la raie jaune-verte à 557,7 nm est due à une transition métastable de l'oxygène atomique. Une autre transition métastable de l'oxygène atomique produit une raie rouge à environ 250 km d'altitude. Ces découvertes ont montré que ces raies étaient émises à des altitudes différentes, sous l'impact de particules plus ou moins pénétrantes dans la haute atmosphère. L'identification de protons comme particules responsable d'émissions aurorales a été réalisée en 1939 et la mesure, depuis le sol, du décalage Doppler associé a permis d'évaluer l'énergie de ces particules.

Pour expliquer les perturbations du champ magnétique au sol, S. Chapman suggère, en 1918, la présence d'un faisceau de particules chargées en provenance du Soleil et propose une compression des lignes de champ du dipôle terrestre côté jour. L'obstacle crée par la Terre devant ce faisceau y creuserait une cavité plus ou moins étendue en fonction de l'énergie des particules incidentes. L'écoute des signaux radio naturels dans les années 1920 et 1930 a montré l'existence de modes ``sifflements'' qui semblaient provenir du proche environnement terrestre et L. Storey a montré au début des années 1950 que ces ondes trouvaient leur origine dans l'ionosphère.

Après la seconde guerre mondiale, l'utilisation de fusées va permettre l'étude in-situ de la haute atmosphère terrestre : nature des particules précipitées, énergie, flux, émissions visibles, UV, radio... L'altitude atteinte dans un premier temps permet l'exploration jusqu'à 100 km. En 1957, une coopération internationale est lancée à l'occasion de l'année géophysique internationale.

Les recherches doivent permettre l'étude in-situ de l'environnement terrestre qui demeure totalement inconnu au-delà de l'ionosphère. C'est dans ce cadre qu'à lieu, en octobre 1957, le lancement du premier satellite artificiel Spoutnik 1 suivi quelques semaines plus tard par Explorer 1 équipé d'un compteur Geiger-Müller. Cet instrument a permis à J. Van Allen de confirmer l'existence des ceintures de radiation contenant le plasma piégé par le champ magnétique terrestre qu'il avait postulé au début des années 1950.

L'existence du vent solaire a été confirmée par les premières sonde en route vers la Lune. Des sondes spatiales en orbite autour de la Terre (Explorer, OGO...) dans les années suivantes ont cartographié la magnétosphère terrestre et ont mis en évidence son interaction avec le vent solaire. L'influence de phénomènes actifs dans la queue de la magnétosphère sur les aurores polaires a été mise en évidence lors des phénomènes de sous-orages magnétosphériques. Les régions aurorales sont situées au pied des lignes de champ magnétique qui s'étendent à grande distance dans la magnétosphère.

L'étude des émissions visibles, UV, radio, qui s'y produisent permet donc de connaître les phénomènes qui se déroulent dans la magnétosphère.

Des sondes spatiales sont allées explorer l'environnement des autres planètes du système solaire au cours des quatre dernières décennies du 20ème siècle. Mariner, Venera, Pioneer Venus et Phobos dans les années 1960 à 1980 ont montré que seule, parmi les planètes telluriques, Mercure possède avec la Terre un champ magnétique intrinsèque susceptible de former une magnétosphère.

Mercure est dépourvue de toute atmosphère dense, et les émissions aurorales qui s'y produisent ne sont donc pas du même type que celles de la Terre. Dans les années 1950, l'observation de Jupiter dans le domaine radio a mis en évidence des émissions dont l'intensité était modulée par la position du satellite galiléen Io. Celles-ci ne pouvaient s'expliquer que par des particules chargées se propageant dans un champ magnétique.

Les sondes Pioneer 10 et 11, en survolant Jupiter en 1973 et 1974, confirmèrent la présence d'un champ magnétique intense crée par la planète. Mais c'est en 1979 et 1980 avec les survols des deux sondes Voyager 1 et 2, puis avec le satellite IUE en orbite terrestre que furent découvertes les aurores joviennes dans l'ultraviolet lointain. Des émissions aurorales dans l'infrarouge moyen (émissions thermiques des hydrocarbures et de l'hydrogène moléculaire de 8 à 17 mm) furent mises en évidence par des observations de Jupiter au sol à la même époque. Ces observations, complétées par les mesures in-situ des sondes, ont montré la similitude des phénomènes magnétosphériques et auroraux entre Jupiter et la Terre, malgré des conditions aux limites différentes entre les 2 planètes.

Les autres planètes géantes, Saturne, Uranus et Neptune, visitées par Voyager 2, ont montré également la présence d'une magnétosphère active dans leur voisinage. L'observation des aurores joviennes à haute résolution depuis la Terre n'a été possible que depuis le début des années 1990 avec la mise en service du télescope spatial Hubble et pour l'étude approfondie de la magnétosphère de Jupiter (du moins dans son plan équatorial) par la mise en orbite de la sonde Galileo en 1995.

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Conclusion

2008-11-18T21:48:26Z

Les aurores polaires sur les planètes du système solaire résultent de la présence d'un champ magnétique propre et d'une atmosphère plus ou moins dense. La position de l'axe du champ magnétique par rapport à la direction du Soleil permet de classer les planètes en deux catégories. La première, qui comprend la Terre, Jupiter et Saturne ont un axe magnétique qui forme un angle élevé constant avec la direction du Soleil permettant la formation de deux ovales auroraux permanents centrés autour des pôles magnétiques. La deuxième catégorie comprend Uranus et Neptune dont l'axe magnétique est amené à pointer dans des directions différentes du fait du mouvement de ces planètes sur elles-mêmes ou sur leur orbite. Les émissions aurorales de ces deux planètes vont donc dépendre de ce mouvement.

Depuis 1995, les astronomes ont détecté la présence de plusieurs dizaines de planètes autour d'étoiles proches du Soleil. Les techniques actuelles n'ont permis pour l'instant que de révéler la présence de planètes géantes de taille comparable ou supérieure à celle de Jupiter. Certaines de ces planètes sont d'ailleurs très proches de leur étoile. Des projets sont élaborés pour détecter les rayonnements visible, infrarouge et radio en provenance de ces planètes. En particulier, des recherches sont en cours pour détecter les ondes radio décamétriques qui seraient émises par des particules chargées en mouvement dans le champ magnétique de ces planètes si elles en possèdent un. Cette détection, si elle aboutit, permettrait de montrer en plus de la présence d'un champ magnétique propre celle d'une activité aurorale.

Bibliographie

Du Soleil à la Terre, J. Lilensten et P.L. Blelly, Editions Diffusion Presses Sciences EDP Sciences, coll. Grenoble Sciences, 2000

Sous les feux du Soleil, J. Lilensten et J. Bornarel, Editions Diffusion Presses Sciences EDP Sciences, coll. Grenoble Sciences, 2001

Aurores boréales et australes, M. Fehrenbach, G. Dawidowicz et R. Marion, GNGL, Pôles d'images, 2001

Liens

LESIA : Site du Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation Astrophysique (en français)

SPVIS (Satellite Polar Visible Imaging System) : Aurores terrestres depuis l'espace (en anglais)

NSSDC (National Space Science Data Center) de la NASA : Toutes les sondes spatiales de la NASA (en anglais)

Satellite IMAGE : Aurores terrestres depuis l'espace (en anglais)

Satellites CLUSTER : Etude de la magnétosphère terrestre (en anglais)

Télescope spatial Hubble : Images des planètes du Système solaire (en anglais)

Planetary Photo Journal : Images des planètes réalisées par des sondes spatiales (en anglais)

Le site de Philippe Moussette : Aurores terrestres au sol (en français)

Le site de Jean-Christophe Dalouzy : Aurores terrestres au sol (en français)

Enfin, nous tenons à remercier toutes les personnes qui nous ont fourni les différentes images d'aurores terrestres, notamment Philippe Moussette et Jean-Christophe Dalouzy. Remerciement spécial à Pierre Grolaud.

Le phénomène

2008-11-18T21:43:37Z

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.: 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 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: 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'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.