Gros plan sur les Aurores

Images d’aurores

Mais c’est à partir de l’espace que la vue est la plus spectaculaire, là où de grandes zones peuvent être vues simultanément, même la calotte polaire entière. Les engins spatiaux peuvent emporter des appareils photo très sensibles et ils utilisent souvent des filtres pour observer les aurores dans certaines longueurs d’ondes. Cela réduit les interférences avec la lumière du soleil qui a été diffusée.

De telles images montrent souvent un anneau d’aurore continu autour de la calotte polaire (photo ci-dessus). Le plus souvent, il est du à des électrons qui fuient le long des lignes de champs, la couverture de plasma de la queue géomagnétique. C’est l’ "aurore  diffuse", identifiée pour la première fois en 1972 par le satellite canadien ISIS-2 : diffuse et étalée, elle n’est pas visible par des observateurs terrestres. Depuis, plusieurs engins spatiaux ont pris des photos des aurores vues du-dessus, notamment les satellites américains Dynamics explorer 1 (DE-1) et Polar Bear, ainsi que les deux engins spaciaux suédois Viking et Freja. De plus les satellites d’US Air Force des séries DMSP, fournissant des images dans un but militaire ont collecté des images d’arcs d’aurores dès 1968. Trois appareils photos fournissant des images d'aurores sont à bord du "Polar"de la Nasa, lancé le 24 février 1996, et plus d’images sont prévues.

Accélération des aurores

Les premiers chercheurs pensaient que de tels électrons provenaient de très loin (Birkeland pensait qu’ils provenaient du soleil). Des observations datant du début des années 1970 conduisirent David Evans (NOAA, Boulder) et d’autres à conclure que leur accélération prenait place assez près de la terre, à une distance d’environ un rayon terrestre (1 RT : 6371 Km ou 4000 miles) ou moins. L’argument irréfutable vint en 1976 lorsque le satellite de US Air Force S3-3 (altitude maximale 8040 Km) détecta d’étroits faisceaux d’ions Oxygène (O+) s’élevant vers le haut à travers l’engin spatial. Aucune tension accélérant les électrons négatifs vers le bas n’aurait pu pousser vers le haut les ions positifs, et le fait que S3-3 observe de tels ions à une altitude de 1 rayon terrestre suggéra que le processus apparaissait plus près de la terre.

Comment et pourquoi ? Puisque les électrons et les ions peuvent glisser le long des lignes comme des perles, on s’attendrait à ce que à chaque fois qu’une tension électrique apparaît le long d’une ligne, les particules accélérées par cette tension glisse rapidement et annulent la tension, arrêtant alors le processus. Hannes Alfven de suède (prix Nobel en 1970) et son associé Hans Persson ont cependant calculé que des conditions convenables, la " force miroir " rappelant les particules piégées des régions de fort champ magnétique pouvait compenser cette tendance à effacer toutes les tensions. Puisque le champ magnétique est plus intense près de la terre, la répulsion est plus forte à cet endroit et il se trouve que la chute de tension compensée par la répulsion y est aussi plus forte.

Ce qui précède n’est cependant pas suffisant. Puisque l’énergie des ions et des électrons est augmentée par le processus d’accélération, l'énergie de ce dernier doit être constamment alimentée sinon elle s'épuiserait. Il apparaît que les électrons accélérés forment généralement une partie du circuit des courants de Birkeland : ce qui conduit ces courants doit probablement aussi fournir l’énergie.

Comme de l’eau dans un tuyau, tout courant électrique, a besoin de couler continûment, sans interruption. Si les électrons sont les principaux porteurs des courants de Birkeland (comme les observations le suggèrent), ils font face à un obstacle quand ils essaient de couler de l’espace vers la terre : ils doivent vaincre la force miroir qui leur fait presque tous rebrousser chemin avant qu’ils puissent atteindre l’ionosphère. Une tension accélératrice peut aider les électrons à vaincre cet obstacle, et le circuit peut fournir la tension accéleratrice nécessaire en la réduisant sur d'autres parties du courant à travers l’ionosphère. Le décalage d'une partie de la tension s'effectue de telle façon qu’elle apparaisse le long des lignes de champ magnétiques.

Les calottes polaires

Cependant, un fin " crachin " d’électrons énergétiques, appelé " pluie polaire " et observé dans les régions sombres suggère finalement que ces lignes sont connectées au champ magnétique interplanétaire (IMF). Les lignes de IMF près de la terre, peuvent à tout moment être dirigées soit en s’éloignant du soleil soit en allant vers lui. Si certaines de ces lignes étaient connectées quelque part à la calotte polaire de la terre, soit au sud soit au nord, on aurait des lignes de champ conduisant au soleil, tandis que les lignes de champ partant de l’autre calotte conduiraient dans l’espace profond. Les satellites ont trouvé que la calotte qui était sensée être connectée au soleil reçevait aussi une plus forte pluie d’électrons. Ceci suggère que les lignes sont en fait liées et que la pluie polaire provient du soleil.

Les orbites polaires

Une orbite polaire circulaire proche de la terre a de nombreuses utilisations. Elle est pratique pour les recherches sur les aurores puisque généralement elle croise 4 fois l’ovale auroral (deux fois près des pôles). Mais puisqu’une telle orbite passe aussi chaque jour au dessus de toutes les sections du globe, elle est aussi appropriée pour la surveillance de la terre, militaire et commerciale.

La rotation de la terre autour de son axe fait qu’elle est légèrement plus gonflée à l’équateur. L’orbite d’un satellite se place généralement dans un plan et l'attraction gravitationnelle du gonflement tend à faire tourner lentement ce plan autour de la terre. Cependant, une orbite polaire passant exactement au dessus du pole est symétrique par rapport au gonflement et ne doit pas tourner. Les deux satellites jumeaux Explorer lancés en 1981 avaient deux orbites assez différentes mais puisque les deux furent lancés dans le même plan qui passe au dessus des pôles, leur orbite partagèrent ce plan tout au long de leur mission.

A mesure que la terre tourne autour du soleil, l’orientation relative par rapport au soleil d'une telle orbite " exactement polaire " tournera lentement (bien que l’orbite reste fixe relativement aux étoiles lointaines). Un satellite qui démarre dans le plan " midi- minuit " sera trois mois plus tard dans le plan " aurore-crépuscule ". Les satellites polaires de basse altitude peuvent arrêter cette rotation en utilisant une orbite " synchronisée sur le soleil " penchée de quelques degrés du pole : le gonflement de la terre fait alors tourner l’orbite à une vitesse qui est juste celle qui la laisse dans la même position relativement au soleil.

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