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Le vent solaire et la Terre

L'aurore polaire est un phénomène naturel se produisant à quelques centaines de kilomètres d'altitude. Observé dans la nuit polaire par temps clair, ce spectacle est en fait la manifestation la plus spectaculaire des relations mouvementées entre le Soleil et la Terre. Le Soleil émet en effet un flux de particules, le vent solaire, se propageant à plusieurs millions de km/h vers la Terre. Ce vent est tellement puissant qu'il n'est pas complètement arrêté par le bouclier invisible que forme le champ magnétique autour de la Terre. Cette « magnétosphère » se gorge alors de particules qui, propulsées vers la Terre, stimulent des émissions lumineuses dans la haute atmosphère.

Qu’est-ce que c’est?

Le Soleil est à l’origine des aurores car il fournit l’énergie nécessaire à leur apparition. Tout commence à l’intérieur de notre étoile par des réactions de fusion nucléaire dont l’énergie colossale est évacuée vers sa surface par des tourbillons de matière. Le champ magnétique créé par ces mouvements de particules électrisées émerge du Soleil en formant des boucles magnétiques ancrées à sa surface au niveau de régions froides et obscures, les taches solaires dont le nombre varie selon un cycle de 11 ans.
De ces régions actives naissent la plupart des événements éruptifs qui caractérisent l’activité solaire. Protubérances et filaments soulèvent des colonnes de plasma (gaz formé d’électrons et d’ions), de l’hydrogène essentiellement, qui s’échappent régulièrement du Soleil en formant un vent solaire qui se propage jusqu’aux confins du Système solaire. Lorsqu’une boucle magnétique éclate violemment, elle éjecte des milliards de tonnes de matière coronale qui voyage à plusieurs millions de km/h vers la Terre.
Partiellement protégée par son bouclier magnétique, l’atmosphère de notre planète est alors sujette aux assauts des particules d’origine solaire. Guidées vers les régions polaires par le champ magnétique, elles percutent finalement les composants atmosphériques à quelques centaines de km d’altitude. Ceux-ci émettent alors les lumières aurorales, aurores boréales au nord et australes au sud.

Comment l’étudie-t-on?

Le système Soleil-Terre est un « objet » astrophysique proche pour lequel nous disposons de mesures in situ et d’observations à haute résolution spatiale et temporelle par des observatoires au sol ou dans l’espace, ce qui constitue un cas unique en astrophysique. Les mécanismes physiques ainsi analysés sont des aides pour l’étude d’autres objets plus lointains, l’héliosphère est en quelque sorte un laboratoire « grandeur nature » pour l’astrophysique.
L’activité éruptive du Soleil et le vent solaire sont étudiés par les chercheurs du Laboratoire d'Études Spatiales et d'Instrumentation en astrophysique (LESIA) et par ceux de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) au moyen des deux observatoires spatiaux SOHO et SDO. L’observation simultanée du Soleil à différentes longueurs d’onde (rayons X, UV, visible) permet de comprendre la dynamique du Soleil et la variabilité du vent solaire. Le rayonnement du Soleil est aussi étudié par les radioastronomes au sol et grâce à des récepteurs embarqués (STEREO).
Les chercheurs du Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP) étudient comment le vent solaire pénètre dans la magnétosphère là où les champs magnétiques interplanétaire et terrestre se « reconnectent » et comment cette énergie est transportée puis dissipée dans la haute atmosphère sous forme d’aurore et de rayonnement. Les flottilles de satellites CLUSTER et THEMIS leur permettent de cartographier ces phénomènes complexes dont la modélisation nécessite le recours à la simulation numérique.

Pourquoi les aurores prennent-elles des formes si spectaculaires?

Les particules à l’origine des aurores sont des électrons ou des protons dont l’énergie est suffisante pour exciter les atomes et molécules de l’atmosphère qui réémettent cette énergie sous forme lumineuse. Aux altitudes les plus basses, entre 100 et 200 km, les émissions vertes sont dues à l’oxygène atomique, les émissions bleues et violettes sont dues à l’azote moléculaire. À plus haute altitude, le rouge provient d’une autre raie de l’oxygène. L’origine de chaque couleur est identifiable par la connaissance précise de sa longueur d’onde.
L’une des énigmes à élucider est l’intensification en quelques minutes des arcs auroraux durant leurs phases les plus actives qu’on appelle des « sous-orages magnétiques ». En 2007, la NASA a envoyé les 5 satellites THEMIS dans la magnétosphère lointaine pour comprendre ce phénomène. Bardés d’instruments, dont un capteur du LPP, ils ont été témoins de l’injection soudaine des électrons de la magnétosphère lointaine vers la Terre lorsque les champs terrestre et interplanétaire se reconnectent.
On pense que la complexité des aurores, ces rideaux de lumière ondulants, résulte de l’accélération à quelques milliers de kilomètres de la Terre des électrons injectés durant les sous-orages par des ondes électromagnétiques localisées sur quelques kilomètres d’espace seulement. Ces phénomènes nécessitent encore beaucoup d'études pour mieux connaître la dynamique de ces structures d’accélération, ce qui est nécessaire pour comprendre le caractère éphémère des lumières aurorales.

Comment se préparer pour le prochain ouragan solaire?

L’humanité a par le passé subi les caprices du Soleil. Ainsi, l’astronome Richard Carrington a décrit l’une des tempêtes solaires les plus violentes survenue en 1859. Les immenses taches solaires observées furent à l’origine d’aurores visibles jusque sous les tropiques. Un déluge de particules s’abattit sur la Terre et les courants électriques associés provoquèrent la panne du réseau de télégraphes en Europe et aux Etats-Unis. On estime que 5% de l’ozone stratosphérique fut détruit par cet « ouragan ».
Aujourd’hui, les conséquences d’un tel phénomène seraient désastreuses pour notre société tellement dépendante des réseaux électriques, des technologies spatiales et des moyens de communication. Les destructions massives de lignes à haute tension provoqueraient un black-out géant tandis que la destruction d’un grand nombre de satellites, en plus d’anéantir le système de positionnement GPS, avec un coût difficile à assumer pour les sociétés d’assurance, ceci mettrait en péril notre système financier et notre économie.
Afin de se prémunir de ces conséquences dramatiques, les chercheurs tentent de mettre en place un système opérationnel d’alerte aux catastrophes climatiques venues de l’espace, la météorologie spatiale. L’idée est de déconnecter les transformateurs électriques ou d’éteindre les systèmes embarqués en cas d’alerte. Savoir anticiper l’évolution des tempêtes solaires et leur propagation vers la Terre nécessitera d’accumuler un grand nombre d’observations du système Soleil-Terre et de les assimiler.