Pourquoi les aurores ne se voient-elles que près des pôles ?
– Comment les lignes de champ magnétique guident le « vent » du Soleil
Dans le ciel nocturne, de grands rideaux de lumière verte ou rouge : les aurores. Beaucoup les ont vues en photo ou en vidéo, mais on dit que les endroits où on peut vraiment les observer sont très limités, tout près du pôle Nord ou du pôle Sud. Pourquoi les aurores ne se montrent-elles pas partout dans le monde, mais se concentrent-elles en des lieux précis ?
Les lieux cités pour observer des aurores sont la Norvège, l'Islande, l'Alaska, le nord du Canada : tous très au nord sur un globe. Dans l'hémisphère Sud, on en voit, dit-on, au sud de la Nouvelle-Zélande et près du continent antarctique.
En revanche, près de l'équateur ou aux latitudes moyennes, comme au Japon, on ne voit pratiquement jamais d'aurores, sauf conditions exceptionnelles. Rien n'interdit a priori à cette lumière de se produire dans le ciel de n'importe quel point du globe. Pourquoi une telle inégalité ?
La clé de l'énigme se trouve, dit-on, dans la relation entre le « vent » invisible soufflé par le Soleil et l'énorme aimant qu'est la Terre.
Ce flux s'appelle le « vent solaire ». Il serait constitué de minuscules particules électrisées, comme des électrons et des protons.
La Terre se comporte comme un gigantesque aimant, et ses lignes de champ se resserrent près du pôle Nord et du pôle Sud.
Voyons pas à pas comment les lignes de champ guident les particules vers les pôles.
Un « vent » invisible soufflé par le Soleil
Le Soleil n'émet pas seulement de la lumière et de la chaleur : il projette aussi en permanence dans l'espace un flux de minuscules particules électrisées, électrons et protons. Ce flux s'appelle le « vent solaire », et l'on pense qu'il traverse l'espace à très grande vitesse, plusieurs centaines de kilomètres par seconde. La Terre y est constamment exposée.
La Terre, un « énorme aimant », dévie la trajectoire des particules
Grâce aux courants électriques qui circulent dans son intérieur, la Terre créerait dans l'espace des lignes de champ semblables à celles d'un immense barreau aimanté. Comme les particules du vent solaire sont électrisées, on pense que lorsqu'elles rencontrent une ligne de champ, elles ne peuvent plus avancer tout droit : leur trajectoire est courbée et suit la ligne. La région façonnée par ce magnétisme terrestre s'appelle la « magnétosphère ». Elle joue le rôle d'un bouclier qui protège le sol de la plupart des particules du vent solaire.
Elles en guident la majeure partie, volontairement, vers deux « sorties » : le pôle Nord et le pôle Sud.
Pourquoi les particules se rassemblent-elles près des pôles ?
Rappelez-vous l'expérience avec un barreau aimanté. Si l'on saupoudre de la limaille de fer autour d'un aimant, elle se concentre près du pôle Nord et du pôle Sud de l'aimant. C'est parce que les lignes de champ se resserrent en direction des deux extrémités (les pôles) de l'aimant. Celles de la Terre ont la même forme : elles se resserrent près du pôle Nord et du pôle Sud.
Courbées le long des lignes de champ, les particules du vent solaire sont guidées vers le haut de l'atmosphère, près des pôles Nord et Sud, là où ces lignes se resserrent. Elles y heurtent les particules d'oxygène et d'azote de l'air, et émettent de la lumière : c'est l'aurore que l'on voit.
Lorsqu'une grosse explosion se produit sur le Soleil (une éruption solaire, par exemple), un vent solaire plus violent que d'habitude peut atteindre la Terre. Dans ce cas, des aurores qu'on ne voit d'ordinaire que près des pôles peuvent parfois s'observer à des latitudes plus basses, jusqu'au Japon.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Préparez un barreau aimanté et de la limaille de fer (ou une boussole)
- Posez une feuille de papier sur l'aimant et saupoudrez-la d'une fine couche de limaille (ou déplacez peu à peu la boussole autour de l'aimant)
- Observez comment la limaille se concentre près des pôles Nord et Sud de l'aimant (ou comment l'aiguille s'agite fortement)
- Imaginez que les lignes de champ de la Terre se rassemblent de la même façon près du pôle Nord et du pôle Sud
Avec une simple expérience sur un aimant, vous pouvez voir de vos propres yeux la forme de lignes de champ pourtant invisibles.
En résumé
Si les aurores se concentrent près du pôle Nord et du pôle Sud, c'est, pense-t-on, parce que les particules électrisées soufflées par le Soleil (le vent solaire) voient leur trajectoire courbée le long des lignes de champ magnétique de la Terre. Ces lignes se resserrent près des pôles, comme le dessin de la limaille autour d'un barreau aimanté : les particules du vent solaire sont donc rassemblées dans ces deux régions et émettent de la lumière en heurtant l'atmosphère.
La beauté des aurores est le résultat d'un grandiose phénomène physique, né du vent du Soleil et de l'énorme aimant qu'est la Terre.
Pourquoi les aurores prennent-elles des couleurs différentes selon le lieu et l'altitude ? Nous l'expliquons dans cet article.
Autre phénomène familier né de « l'inclinaison et du mouvement de la Terre » : Pourquoi l'équinoxe d'automne tombe-t-il tantôt le 23 septembre, tantôt le 22 ? À lire aussi.
Pour aller plus loin – vocabulaire, chiffres, lien avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche actuels, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « physique de base » du lycée
- Lycée+Physique de lycée approfondie, ou contenu de manuel en complément ou en encadré
- Univ.Matière spécialisée de l'université, hors programme du lycée (physique de la magnétosphère)
- RechercheSujet que les chercheurs étudient encore, sans être enseigné comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots des aurores
- Vent solaire : flux de particules électrisées soufflé par le Soleil.
- Ligne de champ magnétique : trajet invisible le long duquel agit la force magnétique autour d'un aimant.
- Magnétosphère : région de l'espace où s'exerce le magnétisme de la Terre.
LycéeVérifier par une formule : jusqu'où une particule peut-elle s'écarter d'une ligne de champ ?
Calculons le rayon du cercle décrit par une particule du vent solaire autour d'une ligne de champ (le rayon de Larmor). S'il est bien plus petit que la Terre, la particule ne peut pas quitter la ligne et est guidée le long d'elle vers les pôles.
| En symboles | r ＝ (m × v) ÷ (q × B) |
| En mots | rayon du cercle ＝ masse de la particule × vitesse ÷ (charge électrique de la particule × intensité du champ magnétique) |
| D'où vient cette formule ? | De l'équilibre entre la force de Lorentz et le mouvement circulaire. La force due au champ magnétique équilibre exactement la force nécessaire pour continuer à décrire un cercle : c'est de là qu'elle découle. |
| Symbole m : masse du proton (en kilogrammes) | Valeur donnée : 1,67 fois 10 puissance moins 27 |
| Symbole v : vitesse du vent solaire (en mètres par seconde) | Valeur indicative retenue : 5 fois 10 puissance 5 |
| Symbole q : charge électrique du proton (en coulombs) | Valeur donnée : 1,6 fois 10 puissance moins 19 |
| Symbole B : intensité du champ magnétique près de la Terre (en teslas) | Valeur indicative retenue : 3 fois 10 puissance moins 8 |
| Partie numérique du numérateur | 1.67 × 5 ＝ 8.35 |
| Partie numérique du dénominateur | 1.6 × 3 ＝ 4.8 |
| Partie numérique du rayon (l'unité est 10 puissance 5 mètres, soit environ 174 km) | 8.35 ÷ 4.8 ≒ 1.74 |
| Combien de fois le rayon terrestre de 6400 km contient ce rayon ? | 6400 ÷ 174 ≒ 37 |
Le cercle décrit par la particule ne représente qu'environ un quarantième du rayon de la Terre. La particule ne peut donc guère s'écarter de la ligne de champ, et elle est emportée vers les pôles Nord et Sud, là où les lignes de champ plongent dans le sol. C'est cette petitesse qui explique que les aurores se concentrent aux pôles.
À titre indicatif, calculons aussi le temps que met le vent solaire lui-même pour atteindre la Terre.
durée (s) ＝ distance Soleil-Terre (km) ÷ vitesse du vent solaire (km/s)
| Distance Soleil-Terre | Environ 150 millions de km |
| Vitesse du vent solaire | Valeur indicative retenue : environ 500 km par seconde |
| Durée (en secondes) | 150000000 ÷ 500 ＝ 300000 |
| Conversion en heures | 300000 ÷ 3600 ≒ 83.3 |
| Conversion en jours | 83.3 ÷ 24 ≒ 3.5 |
| Résultat | Le vent solaire atteint la Terre environ 3,5 jours plus tard |
On dit que les aurores s'intensifient quelques jours après une grosse explosion observée sur le Soleil : cela tiendrait aussi à la longueur de ce temps de trajet du vent solaire jusqu'à la Terre.
* La vitesse du vent solaire varie, selon les circonstances, d'environ 300 à 800 km/s ; le calcul ci-dessus n'est qu'indicatif.
Lycée+Pourquoi une particule chargée s'enroule autour d'une ligne de champ
Quand une particule électrisée (particule chargée) se déplace dans un champ magnétique, elle subit une force (la force de Lorentz) perpendiculaire à la fois à sa direction de déplacement et à celle du champ. Sous l'effet de cette force, la particule chargée avance en spirale, en s'enroulant autour de la ligne de champ.
Univ.La magnétosphère, une région qui protège la Terre
En physique de la magnétosphère, on étudie la forme de la région où s'exerce le magnétisme terrestre (la magnétosphère) et son interaction avec le vent solaire. La magnétosphère empêche la plupart des particules du vent solaire d'atteindre directement le sol, mais dans les régions appelées « cornets polaires » (cusps), près des pôles Nord et Sud, les particules y pénètrent relativement plus facilement.
📖 Démonstration des formules et approfondissements : Wikipédia en japonais, article « Magnétosphère »
RechercheCe qui reste flou
- À quelle altitude et par quels mécanismes précis la couleur et la forme des aurores sont déterminées : c'est un thème encore étudié en détail en physique de la magnétosphère.
- On travaille aussi sur des techniques pour prévoir plus précisément la « météo de l'espace », qui influe sur les satellites et les réseaux électriques, quand le Soleil est très actif.
- Des recherches comparent également les aurores de la Terre à celles observées sur d'autres planètes, comme Jupiter et Saturne.
Les aurores qui parent le ciel nocturne ouvrent sur un vaste sujet de recherche, encore actif, au croisement de l'électromagnétisme et de la physique spatiale.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : action des aimants | Vocabulaire de base : vent solaire, lignes de champ, magnétosphère |
| Lycée | Physique de base : distance et temps | Calcul du temps de trajet du vent solaire jusqu'à la Terre |
| Lycée+ | Physique : courant et champ magnétique (approfondissement) | Force de Lorentz et mouvement en spirale des particules chargées |
| Univ. | Physique de la magnétosphère | Structure de la magnétosphère et région des cusps |
| Recherche | Physique de la magnétosphère, prévision de la météo de l'espace (en cours de recherche) | Détails du mécanisme d'émission de lumière, techniques de prévision de la météo de l'espace |
- Explications sur le vent solaire et le champ magnétique terrestre dans les manuels de sciences de la Terre et de physique.
- Revue de recherche sur les mécanismes de formation des aurores en physique de la magnétosphère.
- Explications sur la vitesse du vent solaire et son temps de trajet jusqu'à la Terre dans la documentation d'astrophysique.
- Explications sur la force de Lorentz et le mouvement des particules chargées dans les manuels de physique.
- Explications sur les éruptions solaires et leurs effets sur la magnétosphère dans la documentation sur la météo de l'espace.
* La vitesse du vent solaire et son temps de trajet sont des valeurs indicatives, qui varient selon l'activité du Soleil.
* Cet article est une explication scientifique grand public. Si vous allez observer des aurores, couvrez-vous bien contre le froid, tenez compte de la météo et respectez les règles locales pour en profiter en toute sécurité.