Quand une aurore n’est-elle pas une aurore ?


Les rideaux chatoyants verts, rouges et violets des aurores boréales et australes – les aurores – sont peut-être les phénomènes les plus connus qui éclairent le ciel nocturne, mais les plus mystérieux sont les stries mauves et blanches appelées Steve et leur fréquent compagnon, une « clôture » verte et brillante.

Reconnu pour la première fois en 2018 comme distinct des aurores communes, Steve – une référence ironique au nom bénin donné à une haie effrayante dans un film pour enfants de 2006 – et la palissade qui lui est associée auraient néanmoins été causés par le même processus physiques. Mais les scientifiques se demandaient comment ces émissions lumineuses étaient produites.

Claire Gasque, étudiante diplômée en physique de l’Université de Californie à Berkeley, propose aujourd’hui une explication physique de ces phénomènes totalement différente des processus responsables des aurores bien connues. Elle s’est associée à des chercheurs du Laboratoire des sciences spatiales (SSL) du campus pour proposer à la NASA de lancer une fusée au cœur des aurores boréales pour découvrir si elle a raison.

Les aurores vibrantes et les phénomènes lumineux tels que Steve et la palissade deviennent de plus en plus courants à mesure que le soleil entre dans la période active de son cycle de 11 ans, et novembre a été un bon mois pour les observations de Steve dans les latitudes nord. Étant donné que tous ces phénomènes lumineux transitoires sont déclenchés par des tempêtes solaires et des éjections de masse coronale du soleil, l’approche du maximum solaire est le moment idéal pour étudier des événements rares comme Steve et la palissade.

Gasque a décrit la physique derrière la palissade dans un article publié le mois dernier dans la revue Lettres de recherche géophysique et discutera des résultats le 14 décembre lors d’une conférence invitée lors de la réunion de l’American Geophysical Union à San Francisco.

Elle a calculé que dans une région de la haute atmosphère plus au sud que celle dans laquelle se forment les aurores, des champs électriques parallèles au champ magnétique terrestre pourraient produire le spectre de couleurs de la palissade. S’il est correct, ce processus inhabituel a des implications sur la façon dont les physiciens comprennent le flux d’énergie entre la magnétosphère terrestre, qui entoure et protège la Terre du vent solaire, et l’ionosphère à la limite de l’espace.

« Cela bouleverserait notre modélisation de ce qui crée la lumière et l’énergie dans les aurores dans certains cas », a déclaré Gasque.

« Ce qui est vraiment intéressant dans l’article de Claire, c’est que nous savons depuis quelques années maintenant que le spectre de Steve nous indique qu’il se passe une physique très exotique. Nous ne savions tout simplement pas de quoi il s’agissait », a déclaré Brian Harding. co-auteur de l’article et physicien de recherche assistant SSL. « L’article de Claire a montré que les champs électriques parallèles sont capables d’expliquer ce spectre exotique. »

L’article était un projet parallèle du doctorat de Gasque. thèse, qui porte sur le lien entre des événements tels que les volcans à la surface de la Terre et les phénomènes dans l’ionosphère à 100 kilomètres ou plus au-dessus de nos têtes.

Mais après avoir entendu parler de Steve – qui est maintenant devenu un acronyme pour Strong Thermal Emission Velocity Enhancement – ​​lors d’une conférence en 2022, elle n’a pas pu résister à l’envie d’examiner la physique derrière Steve et la palissade.

« C’est vraiment cool », dit-elle. « C’est actuellement l’un des plus grands mystères de la physique spatiale. »

La physique de Steve et de la palissade

Les aurores communes se produisent lorsque le vent solaire dynamise les particules de la magnétosphère terrestre, souvent à des altitudes supérieures à 1 000 kilomètres au-dessus de la surface. Ces particules énergétiques tournent en spirale autour des lignes du champ magnétique terrestre vers les pôles, où elles s’écrasent et excitent les molécules d’oxygène et d’azote de la haute atmosphère. Lorsque ces molécules se détendent, l’oxygène émet des fréquences spécifiques de lumière verte et rouge, tandis que l’azote génère un peu de rouge, mais principalement une raie d’émission bleue.

Les rideaux colorés et chatoyants qui en résultent peuvent s’étendre sur des milliers de kilomètres à travers les latitudes nord ou sud.

Steve, cependant, n’affiche pas des raies d’émission individuelles, mais une large gamme de fréquences centrées autour du violet ou du mauve. Et contrairement aux aurores boréales, ni Steve ni la palissade n’émettent de lumière bleue, générée lorsque les particules les plus énergétiques frappent et ionisent l’azote. Steve et la palissade se trouvent également à des latitudes plus basses que les aurores, potentiellement même aussi loin au sud que l’équateur.

Certains chercheurs ont proposé que Steve soit causé par des flux d’ions dans la haute atmosphère, appelés dérive ionique subaurorale, ou SAID, bien qu’il n’y ait pas d’explication physique bien acceptée sur la façon dont SAID pourrait générer des émissions colorées.

L’intérêt de Gasque a été suscité par les suggestions selon lesquelles les émissions de la palissade pourraient être générées par des champs électriques à basse altitude parallèles au champ magnétique terrestre, une situation considérée comme impossible car tout champ électrique aligné avec le champ magnétique devrait rapidement se court-circuiter et disparaître.

En utilisant un modèle physique commun de l’ionosphère, Gasque a ensuite montré qu’un champ électrique parallèle modéré – environ 100 millivolts par mètre – à une hauteur d’environ 110 km pouvait accélérer les électrons jusqu’à une énergie qui exciterait l’oxygène et l’azote et générerait le spectre. de lumière observée depuis la palissade. Des conditions inhabituelles dans cette zone, telles qu’une densité plus faible de plasma chargé et des atomes d’oxygène et d’azote plus neutres, pourraient potentiellement servir d’isolant pour empêcher le champ électrique de se produire en court-circuit.

« Si vous regardez le spectre de la palissade, il est beaucoup plus vert que prévu. Et il n’y a aucun bleu provenant de l’ionisation de l’azote », a déclaré Gasque. « Ce que cela nous dit, c’est qu’il n’existe qu’une gamme d’énergie spécifique d’électrons qui peuvent créer ces couleurs, et qu’ils ne peuvent pas provenir de l’espace jusqu’à l’atmosphère, car ces particules ont trop d’énergie. »

Au lieu de cela, a-t-elle déclaré, « la lumière provenant de la palissade est créée par des particules qui doivent être alimentées là dans l’espace par un champ électrique parallèle, ce qui est un mécanisme complètement différent de celui de n’importe quelle aurore que nous avons étudiée ou connue ». avant. »

Elle et Harding soupçonnent que Steve lui-même pourrait être produit par des processus connexes. Leurs calculs prédisent également le type d’émissions ultraviolettes que ce processus produirait, ce qui peut être vérifié pour vérifier la nouvelle hypothèse concernant la palissade.

Bien que les calculs de Gasque ne traitent pas directement la lueur on-off qui fait ressembler le phénomène à une palissade, cela est probablement dû aux variations ondulatoires du champ électrique, a-t-elle déclaré. Et même si les particules accélérées par le champ électrique ne proviennent probablement pas du soleil, le brouillage de l’atmosphère par les tempêtes solaires déclenche probablement Steve et la palissade, tout comme les aurores boréales.

Les aurores améliorées présentent une lueur semblable à celle d’une palissade

La prochaine étape, a déclaré Harding, consiste à lancer une fusée depuis l’Alaska à travers ces phénomènes et à mesurer la force et la direction des champs électriques et magnétiques. Les scientifiques SSL se spécialisent dans la conception et la construction d’instruments qui font exactement cela. Beaucoup de ces instruments se trouvent désormais à bord de vaisseaux spatiaux en orbite autour de la Terre et du Soleil.

Initialement, la cible serait ce que l’on appelle une aurore améliorée, qui est une aurore normale avec des émissions semblables à celles d’une clôture.

« L’aurore renforcée est essentiellement cette couche brillante qui est intégrée dans l’aurore normale. Les couleurs sont similaires à celles de la palissade dans le sens où elles ne contiennent pas autant de bleu, et il y a plus de vert provenant de l’oxygène et de rouge provenant de l’azote. L’hypothèse est que ces sont également créés par des champs électriques parallèles, mais ils sont beaucoup plus courants que la palissade », a déclaré Gasque.

Le plan n’est pas seulement « de faire voler une fusée à travers cette couche améliorée pour mesurer ces champs électriques parallèles pour la première fois », a-t-elle expliqué, mais aussi d’envoyer une deuxième fusée pour mesurer les particules à des altitudes plus élevées, « afin de distinguer les conditions ». de ceux qui causent les aurores. Finalement, elle espère une fusée qui volera directement à travers Steve et la palissade.

Harding, Gasque et leurs collègues ont proposé une telle campagne de fusée-sonde à la NASA cet automne et s’attendent à recevoir une réponse concernant sa sélection au premier semestre 2024. Gasque et Harding considèrent l’expérience comme une étape importante dans la compréhension de la chimie et de la physique de la haute atmosphère. , l’ionosphère et la magnétosphère terrestre, et une proposition conforme au programme Low Cost Access to Space (LCAS) parrainé par la NASA pour des projets comme celui-ci.

« Il est juste de dire qu’il y aura de nombreuses études à l’avenir sur la façon dont ces champs électriques sont arrivés là, à quelles ondes ils sont ou non associés, et ce que cela signifie pour le transfert d’énergie plus important entre l’atmosphère terrestre et l’espace. « , a déclaré Harding. « Nous ne le savons vraiment pas. L’article de Claire est la première étape dans la chaîne de cette compréhension. »

Gasque a exprimé son appréciation pour la contribution des personnes qui étudient l’ionosphère moyenne, ou mésosphère, et la stratosphère, dont les idées l’ont aidée à trouver la solution.

« Grâce à cette collaboration, nous avons pu réaliser des progrès vraiment intéressants dans ce domaine », a-t-elle déclaré. « Honnêtement, il s’agissait simplement de suivre notre nez et d’en être excité. »

Outre Harding, ses autres co-auteurs sont Reza Janalizadeh de l’Université d’État de Pennsylvanie à University Park, Justin Yonker du Laboratoire de physique appliquée de l’Université Johns Hopkins à Laurel, Maryland, et D. Megan Gillies de l’Université de Calgary en Alberta, Canada.

Un soutien partiel pour ce travail a été fourni par la National Science Foundation (AGS-2010088), la National Aeronautics and Space Administration (80NSSC21K1386) et la bourse Robert P. Lin de l’UC Berkeley.

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