Pourquoi les aurores changent-elles de couleur selon le lieu et l’altitude ?
Des gaz de l’atmosphère qui ne brillent que dans certaines couleurs
Sur les photos d’aurores, le vert domine, mais on voit aussi du rouge, du violet, des nuances de rose. Le mécanisme devrait pourtant être le même : des particules venues du Soleil percutent l’atmosphère et la font briller. Alors pourquoi de telles différences de couleur ?
En cours de sciences, avez-vous déjà vu une flamme imprégnée d’une solution contenant un métal ? Le cuivre donne du vert, le sodium du jaune, le potassium du violet : la couleur de la flamme dépendait nettement de la substance (c’est le test de flamme).
Si les enseignes au néon brillent en rouge ou en orange, c’est aussi parce que le type de gaz qu’elles contiennent fixe les couleurs qu’il peut émettre. La couleur des aurores s’explique, pense-t-on, par une raison très proche.
Les électrons d’un atome ne peuvent émettre que de la lumière d’une énergie bien précise. Chaque gaz a donc son propre répertoire de couleurs.
Selon l’altitude, le type de gaz et sa densité diffèrent. Même avec un seul gaz, l’oxygène, la couleur qui sort le plus facilement change avec la hauteur.
Voyons tour à tour ces « couleurs propres à chaque gaz » et ces « différences selon l’altitude ».
Pourquoi chaque gaz n’émet que certaines couleurs
Quand les particules du vent solaire percutent les gaz de l’atmosphère, les électrons des atomes ou des molécules sont brièvement portés à un état de plus haute énergie. Lorsqu’ils retombent à leur état de basse énergie, ils libèrent la différence d’énergie sous forme de lumière d’une couleur précise (une longueur d’onde donnée). Les états d’énergie accessibles à un électron ne prennent que des valeurs séparées, propres à chaque gaz. C’est pourquoi quand le gaz change, le répertoire de couleurs change aussi. Les feux d’artifice, les enseignes au néon et le test de flamme brillent toujours de la même couleur pour une substance donnée grâce au même mécanisme.
Pourquoi l’altitude change les couleurs qui brillent le plus facilement
L’oxygène atomique peut émettre aussi bien de la lumière verte que de la lumière rouge. Mais le temps qu’il faut pour émettre l’une et l’autre est très différent : le vert sort vite, alors que le rouge met relativement longtemps à sortir.
Tout le problème vient de cette lenteur. À basse altitude, l’air est dense et l’atome d’oxygène heurte sans cesse ses voisins. S’il est percuté pendant qu’il attend d’émettre du rouge, il perd son énergie sans avoir émis de lumière. Ce n’est qu’en haute altitude, où le gaz est ténu, qu’il a le temps d’émettre son rouge avant le choc. À l’inverse, en bas, l’air est trop dense pour que les couleurs qui demandent d’« attendre » (la lumière de l’oxygène) puissent sortir, et le bleu et le violet de l’azote moléculaire, qui émet vite, dominent.
Plus les particules du vent solaire sont énergétiques, plus elles s’enfoncent profondément dans l’atmosphère. Dans les aurores particulièrement actives, les particules atteignent la couche d’azote moléculaire, vers 100 km d’altitude, et l’on voit parfois une bordure bleue ou violette sous la partie verte.
Ce sont le type de gaz et le « temps d’attente » avant d’émettre qui les décident.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Cherchez l’occasion de voir des flammes colorées : feu de camp, feu d’artifice (n’essayez pas de réaliser des tests de flamme chez vous).
- Observez la couleur des enseignes au néon et des illuminations en ville.
- Remarquez que, même quand tout « brille », la couleur est nettement fixée par le gaz ou la substance employés.
Pour se le représenter, on peut penser que dans l’atmosphère, énorme « tube au néon », chaque gaz brille dans sa couleur propre.
En résumé
Si la couleur des aurores varie selon le lieu et l’altitude, c’est, pense-t-on, la combinaison de deux raisons. D’abord, chaque gaz ne peut émettre que certaines couleurs. Ensuite, la densité du gaz varie avec l’altitude, si bien que les couleurs lentes à émettre ne peuvent apparaître qu’en hauteur. Le vert est la couleur la plus fréquente parce que c’est celle que l’oxygène atomique émet relativement vite.
Une aurore n’est pas une seule lumière.
C’est un dégradé de couleurs, joué par des gaz différents à chaque altitude.
Le mécanisme qui rassemble les particules du vent solaire autour des pôles Nord et Sud est expliqué dans cet article.
Pour aller plus loin – vocabulaire, valeurs, liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche actuels, le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences du collège
- LycéeNiveau du programme de « chimie de base » du lycée
- Lycée+Physique ou chimie du lycée, ou contenu d’approfondissement ou d’encadré des manuels
- Univ.Cours spécialisé d’université, non vu au lycée (physique de l’atmosphère)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, non enseignés comme acquis, même à l’université
CollègeVocabulaire : les mots autour des couleurs d’aurore
- Test de flamme : réaction où un métal ou une autre substance, chauffé, émet une lumière de couleur caractéristique.
- Longueur d’onde : longueur du motif répété de l’onde, qui détermine la couleur de la lumière.
- État d’énergie d’un électron : valeur d’énergie, prise parmi des valeurs séparées, que possède un électron dans un atome.
LycéeVérifier par une formule : du vert ou du rouge, quel photon a le plus d’énergie ?
Avec une relation approchée très utilisée qui donne l’énergie de la lumière à partir de sa longueur d’onde, comparons l’énergie du vert et celle du rouge.
| En symboles | E ≒ 1240 ÷ λ |
| En mots | Énergie d’un grain de lumière (en électronvolts) ≒ 1240 ÷ longueur d’onde (en nanomètres) |
| D’où vient cette formule ? | Elle vient de la relation de Planck, qui relie l’énergie de la lumière à sa fréquence (énergie = constante de Planck × fréquence). En exprimant les unités en électronvolts et en nanomètres, les constantes se regroupent en 1240. |
Signification des symboles : E est l’énergie d’un grain de lumière (en électronvolts), λ la longueur d’onde (en nanomètres).
| Longueur d’onde du vert | environ 560 nm (valeur indicative de la couleur que l’oxygène atomique émet souvent) |
| Longueur d’onde du rouge | environ 630 nm (valeur indicative de la couleur, de plus grande longueur d’onde, que l’oxygène atomique émet aussi) |
| Énergie du vert (eV) | 1240 ÷ 560 ≒ 2.21 |
| Énergie du rouge (eV) | 1240 ÷ 630 ≒ 1.97 |
| Résultat | Le vert a plus d’énergie que le rouge |
Plus la longueur d’onde est courte, plus chaque grain de lumière (photon) porte d’énergie : on le constate nettement, le vert (2.21) étant supérieur au rouge (1.97). Plus la chute d’un état de haute énergie vers un état de basse énergie est grande, plus la lumière émise a une courte longueur d’onde (une énergie élevée) : cette relation se lit dans l’écart entre ces deux nombres.
Lycée+Comment des « temps d’attente » différents répartissent les couleurs selon l’altitude
L’émission verte de l’oxygène atomique se produit assez vite, alors que l’émission rouge correspond à une « transition interdite », un type de changement qui se produit difficilement et qui met du temps à libérer sa lumière. À basse altitude, pendant cette attente, l’atome heurte d’autres molécules et perd son énergie (on parle d’extinction par collision). C’est pourquoi le rouge n’est guère observé que dans l’air ténu des hautes altitudes.
Univ.La modélisation de l’altitude d’émission en physique de l’atmosphère
En physique de l’atmosphère et de la haute atmosphère, on étudie des modèles qui calculent à quelle altitude chaque couleur brille, et avec quelle intensité, à partir de l’énergie des particules du vent solaire et de la répartition de la densité de l’air. Les chercheurs confrontent ces modèles aux mesures directes des satellites et des fusées.
Ce calcul combine l’équation de transport des électrons, qui suit les particules depuis leur entrée dans l’atmosphère jusqu’à leur arrêt, les coefficients d’Einstein, qui donnent la fréquence d’émission de lumière des atomes et des molécules, et la proportion d’émission perdue par collision (l’extinction). La relation de Planck vue au lycée n’en est qu’une partie.
📖 Démonstration des formules et suite : Aurore ／ Effet photoélectrique (grains de lumière et énergie)
RechercheCe qui reste incertain
- Les conditions précises qui produisent les couleurs rares (rose intense, violet particulier) des aurores très actives font encore l’objet d’observations et de recherches.
- Le lien entre les changements de couleur et de forme des aurores et leurs effets sur les réseaux électriques et les télécommunications au sol (la météo spatiale) : des recherches visent à mieux le prévoir.
- Reste aussi un champ d’études comparatives : comment la couleur des aurores observées sur d’autres planètes (Jupiter, Saturne…) varie selon la composition de leur atmosphère.
Même la seule couleur des aurores recèle un sujet riche, à la croisée de la physique atomique et de la science de l’atmosphère, toujours étudié aujourd’hui.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : test de flamme | L’idée de base : chaque gaz a ses couleurs |
| Lycée | Chimie de base : structure de l’atome | Calcul de l’énergie d’un photon |
| Lycée+ | Physique-chimie (approfondissement) | Lien entre transition interdite et extinction |
| Univ. | Physique de l’atmosphère | Modélisation de l’altitude d’émission |
| Recherche | Physique de la haute atmosphère (en cours) | Conditions des couleurs rares, prévision de la météo spatiale, comparaison entre planètes |
- Explications sur l’altitude d’émission et la couleur des aurores dans les manuels de physique de l’atmosphère et de la haute atmosphère.
- Explications sur les transitions interdites et la durée de vie de l’émission dans les documents de physique atomique.
- Explications sur le test de flamme et le principe de l’émission de lumière dans les documents d’enseignement de la chimie.
※ Les valeurs de longueur d’onde et d’altitude sont des repères pour comprendre le mécanisme. Les valeurs réelles varient, dit-on, selon la force du vent solaire et l’état de l’atmosphère.
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des estimations et des repères pour comprendre le mécanisme. Les valeurs réelles varient, dit-on, selon la force du vent solaire et les conditions d’observation.