Les aurores boréales ou la danse des particules

« Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les aurores boréales ou la danse des particules Jean-Christophe Pain1,2 1CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon, France 2Université Paris-Saclay, CEA, Laboratoire Matière en Conditions Extrêmes, F-91680 Bruyères-le-Châtel Cedex, France Plan de l’exposé 1. Les aurores polaires a. Principe b. Observation c. Ailleurs dans l’espace… d. En laboratoire 2. Les phénomènes lumineux transitoires dans le haute atmosphère a. Les farfadets b. Les elfes c. Les jets 3. Le rayon vert et autres phénomènes lumineux (qui ne sont pas des aurores polaires…) « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Partie 1 Les aurores polaires « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Michel Fehrenbach, Gilles Dawidowicz, Rémy Marion, AURORES BORÉALES ET AUSTRALES, Mars 2001, GNGL Productions/ Pôles/Images. https://alexblog.fr/video-aurores-boreales-alaska-45435/ Vidéo aurores boréales en Alaska (Alexis Coram) : Images aurores boréales et australes : « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les aurores polaires La première trace écrite d’une aurore polaire remonterait 3000 ans. Depuis, d’un siècle l’autre, d’une culture une autre, ces étranges lumires célestes n’ont eu de cesse de nourrir imaginaires, mythes et légendes. Féeriques et envotantes, ces draperies luminescentes ondulant dans le ciel des pôles sont pourtant d’origine 100 % naturelle. Pourquoi polaires, boréales ou australes ? Comment se créent-elles ? Que voit-on exactement ? Où les voir ? Les aurores sont des aurores polaires car elles se voient près des pôles. Pour le pôle nord on dit « aurore boréale » Et pour le pôle sud, « aurore australe ». Nous vivons dans l’hémisphère nord et parlons plus souvent d’aurores boréales. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Des questions… australe boréale https://escales.ponant.com/aurore-polaire-2/ Les peuples scandinaves ont développé de nombreux mythes autour de ces lumières. Pour les Inuits, elles étaient des feux brandis par leurs ancêtres afin de guider les âmes des défunts le long de leur dernier chemin. Un peuple d’Inuits du Yukon les interprétait comme la danse des âmes des animaux chassés. À leur mort, l’âme des chasseurs remplaçait celles des animaux tués, ces dernières retournant sur Terre, poursuivant ainsi le cycle. En Finlande, elles étaient appelés revontulets, soit littéralement « renards de feu ». Virevoltant dans le ciel à vive allure, ces renards arctiques effleuraient de leurs queues scintillantes les sommets des montagnes enneigées, saupoudrant le ciel sur leur passage de flocons reflétant la lumière de la Lune. Pour les Samis, peuple autochtone de Laponie, ces lumières étaient autant de signes de mauvais augure : incarnations des âmes des morts dont il fallait se garder d’attirer l’attention en bougeant, chantant ou sifflant. Il n’y a pas si longtemps, on racontait aussi que les aurores étaient les reflets du Soleil sur les glaces polaires. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Importance dans la mythologie Les peuples amérindiens les reliaient souvent à des esprits. Certains croyaient qu’elles étaient signe de fécondité ou les âmes d’enfants à naître. Au moyen-âge, en Europe, les aurores représentaient les âmes des guerriers qui avaient donné leur vie pour leur peuple. Enfin, pour les valeureux Vikings, les aurores boréales se voulaient le reflet des armures des Valkyries : ces redoutables guerrières envoyées sur Terre par Odin afin d’enrôler les meilleurs guerriers défunts et de les conduire jusqu’au Valhalla, en vue du Ragnarök, l’ultime bataille et promesse d’une nouvelle ère. Les aurores boréales étaient alors assimilées au Bifröst, ce « chemin scintillant » faisant office de pont arc-en-ciel entre la Terre et le Ciel, forteresse des dieux. Importance dans la mythologie « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Aristote y voyait des « déchirures du ciel nocturne derrière lesquelles on voit des flammes ». C’est seulement au XVIIesiècle que ces mystérieux phénomènes luminescents observés au-delà du cercle arctique prirent le nom d’ « aurore boréale » (de Aurora, antique déesse de l’aube, et son fils Borée, incarnation du vent du nord). C’est le théologien français Pierre Gassendi qui, en 1649, aurait fait, le premier, mention d’ « aurora borealis ». Il faut attendre le siècle des Lumières pour voir les premiers éléments d’analyse scientifique sérieuse,jusqu’ ce que le Norvégien Kristian Olaf Birkeland, à la fin du XIXesiècle, en comprenne l’origine solaire… Première « Aurora borealis » « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Aristote 384 av J.-C. - 322 av. J.-C. Crédits : Museo nazionale romano di palazzo Altemps/Wikimedia Pierre Gassendi Portrait par Louis-Édouard Rioult. Kristian Olaf Birkeland (1867 –1917) Le noyau externe de la terre composé de fer et de nickel liquides en mouvement, crée un champ magnétique, semblable à celui d’un aimant droit : le pôle sud de l’aimant étant à environ 1000 km du pôle nord géographique, et l’axe magnétique de la terre incliné de 10,5° par rapport à l’axe de rotation de la terre. Une expérience effectuée avec un aimant et de la limaille de fer, permet de visualiser les lignes de champ. Le champ magnétique terrestre est beaucoup plus compliqué. Champ magnétique terrestre « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain L’atmosphère terrestre « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Notre atmosphère est essentiellement constituée d’azote (N2, 78%) et d’oxygène (O2, 21%). Le phénomène se produit entre 100 et 300 km d’altitude, dans une atmosphère très raréfiée. En cas d’éruption solaire intense, les particules chargées du vent solaire ne sont pas toutes piégées dans la ceinture de radiation. Certaines s’engouffrent alors par les cornets polaires, formés par les lignes du champ terrestre qui se resserrent aux pôles. Elles se rapprochent de la terre, entrant dans la haute atmosphère (altitude 100 à 200 km). Elles excitent et ionisent l’azote et l’oxygne raréfiés qui s’y trouvent. Ces espèces excitées, en revenant à leur état fondamental, émettent de la lumière. La lumière émise dépend du degré d’excitation de ces espèces. A haute altitude, les particules solaires ont plus d’énergie et les espèces atmosphériques sont plus excitées. A basse altitude, elles sont moins excitées. La couleur émise dépend de l’espce et de son degré d’excitation. Champ magnétique, atmosphère et Soleil : d’où vient la lumière colorée ? « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Excitation et désexcitation des atomes : le rayonnement « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Champ magnétique, atmosphère et Soleil Les aurores polaires sont donc observées lors des périodes de grande activité solaire, au voisinage des deux pôles simultanément, généralement entre 65 et 80°de latitude (30°en 1958 à Mexico) et peuvent durer de quelques minutes à quelques heures. Elles peuvent prendre différents aspects :taches, rideaux, voiles, couronnes. Il faut souvent des récepteurs très sensibles pour les photographier. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain L’observation Vue en entier depuis l’espace (Sonde POLAR) Depuis la navette spatiale Discovery au-dessus de l’antarctique (NASA) Les aurores peuvent prendre différents aspects : tâches, rideaux, voiles, couronnes. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain L’observation L’événement de Carrington « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Carrington : siège du comté de Foster, dans l'État du Dakota du Nord, aux États-Unis « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Surtension dans un transformateur au Québec en 1989 L’aurore polaire n’est pas une exclusivité terrienne. D’autres planètes de notre système solaire sont le théâtre de ce fabuleux spectacle céleste. La condition ? Disposer d’un champ magnétique. On parle également d’aurores polaires, dans la mesure où elles se produisent au niveau des pôles magnétiques de la planète en question. Plusieurs sondes spatiales ont ainsi pu témoigner, images à l’appui, de « danses lumineuses » sur Uranus,Saturne ou Jupiter, où l’on a pu observer les aurores polaires les plus spectaculaires. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Et ailleurs dans l’espace ? Juno Elles y sont 100 fois plus intenses que sur Terre…et permanentes ! Très éloignée du Soleil, Jupiter doit essentiellement ses aurores à Io, son satellite volcanique. Plus étonnant, des lumières aurorales ont aussi pu être observées sur Mars : dépourvue de champ magnétique global, certaines zones de la planète rouge présentent quelques survivances d’un champ magnétique fossile à l’origine d’aurores martiennes ! Et cela ne concerne pas que les planètes qui ont à la fois un champ magnétique et une atmosphère. Même sur Ganymède, satellite de Jupiter, Hubble a vu des aurores ! « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Et ailleurs dans l’espace ? Sur Ganymède, satellite de Jupiter Expérience mise au point à Grenoble par Jean Lilensten (IAPG), et reproduite à l’UPMC •Une enceinte en plexiglas contient : -un stylet conducteur S, -une petite sphère creuse d’aluminium P (diamètre 5 cm), -une plus grande sphère creuse d’aluminium G (diamètre 10 cm). Des aimants droits peuvent être placés dans les sphères pour simuler le champ magnétique terrestre. •Une pompe primaire permet d’évacuer les gaz atmosphériques de la cloche. •Un générateur (300 Volts, environ 1 mA) permet de générer des électrons au niveau de son pôle négatif et de les collecter au niveau de son pôle positif. Pour simuler le Soleil (l’émetteur d’électrons), on met une sphère au pôle négatif du générateur. Pour simuler la Terre,on place un aimant dans une sphère et on la met au pôle positif. Le vent solaire est simulé par les électrons qui vont se propager de la sphère négative à la sphère positive. L’air raréfié environnant, excité par les électrons émet sur leur trajet une fluorescence rose ou banchâtre (N2), dans une zone de pression de 10 à30 pascals. La Planeterrella « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Configuration 1 : les anneaux de courant. La sphère G sans aimant (Soleil) est reliée au pôle négatif du générateur, et la sphère P (Terre), avec aimant, est reliée au pôle positif pour collecter les électrons. Un certain nombre d’électrons sont piégés autour de P, ce qui conduit à un anneau lumineux autour de la sphère. Cet anneau lumineux qui correspond à l’émission de l’azote excité par les électrons, correspond à la ceinture de Van Allen. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain En laboratoire Configuration 2 : la couronne solaire •la petite sphère P, sans aimant, est reliée au pôle négatif du générateur : elle est source d’électrons ⇒elle simule le Soleil et émet dans tout l’espace, •le pôle positif du générateur est relié au stylet, et collecte les électrons. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain En laboratoire Configuration 3 : les aurores polaires •la petite sphère P simule le Soleil. •la grande sphère G, contenant un aimant incliné, reliée au pôle positif du générateur, simule la Terre. On voit une émission de l’azote aux deux « pôles » de G, situés sur l’axe d’inclinaison des aimants. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain En laboratoire Partie 2 Les phénomènes lumineux transitoires « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain E. R. Williams, » Sprites, Elves, and Glow Discharge Tubes », dans Physics Today , novembre 2001,p. 41 https://www.youtube.com/watch?v=KSEFn_ZrUAQ&t=164s Farfadet de maison Petit personnage imaginaire des contes populaires doué de pouvoirs fantastiques, d'une grâce légère et vive, plus taquin et malicieux que méchant. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les farfadets Esprit de taille infime mais d'une puissance redoutable, symbolisant les forces de l'air, du feu, tantôt vivant dans l'air et bienfaisant, tantôt vivant au centre de la terre et malveillant. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les elfes Un sylphe est un disélémentaire de l'air (ou djinn), croisement d'un élémentaire* de l'air et d'un être humain. Il se caractérise par des pouvoirs liés au vent, au son et àla foudre, par un teint pâle, des cheveux blancs et mouvants, et un pas léger. Certains ont des ailes. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les sylphes *Les élémentaires sont des esprits du feu, de l'eau, de la terre, de l'air ou de la glace, prenant corps à l'aide de leur élément respectif. Les phénomènes lumineux transitoires (Transient Luminous Event ou TLE en anglais), parmi lesquels les farfadets (ou red sprites), regroupent différents types de phénomènes lumineux visibles en haute atmosphère et accompagnant les orages. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les phénomènes lumineux farfadet Leur existence a été envisagée dans les années 1920 par le physicien écossais C. T. R. Wilson. Cependant, le premier n'est découvert qu'au début des années 1990, par hasard, sur un enregistrement vidéo du 6 juillet 1989. Des chercheurs de l'université du Minnesota filmaient le lancement d'une fusée et la caméra a enregistré un orage lointain. Un TLE a ensuite été identifié, bien qu'il n'apparaisse que sur deux images du film. Par la suite, des TLE ont été enregistrés par un grand nombre de systèmes optiques. Début 2009,le nombre total d’événements enregistrés est estimé à plusieurs dizaines de milliers.Le taux global d'occurrence des TLE a été estimé, grâce au satellite FORMOSAT-2, à plusieurs millions par année. Les TLE sont des phénomènes de fluorescence optique, provoqués par des décharges électriques au cours d'orages sous-jacents. Ils durent généralement entre moins d'une milliseconde et plus de 2 s. Ces phénomènes sont encore peu connus, comme leur dangerosité pour les aéronefs (une hypothèse veut que lors de l'accident de la navette spatiale Columbia ait été provoqué par un de ces éclairs, hypothèse réfutée par la NASA). « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les phénomènes lumineux : petit historique Les elfes « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les elfes (acronyme de Emission of Light and Very low-frequency perturbations from Electromagnetic pulse Sources, ELVES, en anglais), ou halos, prennent la forme de disques faiblement lumineux (ou d'anneaux, selon les observateurs), et apparaissent lors d'éclairs puissants, à la base de l’ionosphère (à des altitudes de l’ordre de 100 km). Ces lueurs sont en expansion et leur diamètre atteint 400 km. Ces disques semblent provoqués par des impulsions électromagnétiques, résultant d'un orage, qui se propagent dans toutes les directions, formant une sphère, et accélérant des électrons. Lorsque cette sphère atteint une altitude d'environ 100 kilomètres, les molécules de gaz diazote N2de l'atmosphère s'illuminent, à la suite de leur excitation lors de collisions avec les électrons accélérés. La forme de disque observée est due à l'intersection entre cette sphère et cette couche plane de l'atmosphère. Leur faible durée (environ 1 à 5 ms) et leur altitude les rendent difficiles à observer du sol. La première observation d'un elfe a lieu lors de la mission STS-41 de la navette spatiale Discovery, lors d'un survol de la Guyane française, le 7 octobre 1990. Des elfes sur Jupiter « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Des chercheurs du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP) de l'Université de Liège ont fait état, dans la revue Journal of Geophysical Research: Planets, de la première identification de PLT sur Jupiter. Des flashs ultraviolets C'est l'instrument UVS (Ultraviolet Spectrograph Instrument ) de la sonde Juno, en orbite autour de Jupiter depuis 2016, qui a permis d’identifier les premiers elfes. 11 évènements lumineux ont ainsi été repérés dans l'ionosphère jovienne à environ 260 km d'altitude au-dessus de zones orageuses, en concordance avec les modèles. Le pôle sud de Jupiter avec un PLT entouré en jaune, observé en avril 2020. Crédit : NASA/JPL-Caltech/SwRI. Des elfes sur Jupiter Représentation artistique des phénomènes lumineux transitoires sur Jupiter. https://www.sciencesetavenir.fr/espace/systeme-solaire/des-elfes-et-des-farfadets-dans-l-atmosphere-de-jupiter_149027 « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les jets « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les jets bleus sont des lueurs bleues montant des nuages orageux vers la stratosphère. Ils se projettent à partir du sommet d'un cumulonimbus,au-dessus d'un orage, généralement sous la forme d'un cône étroit, d'angle voisin de 15°, en direction des niveaux inférieurs de l'ionosphère, à 40 à 50 km au-dessus de la Terre. De plus, contrairement aux farfadets, les jets bleus ne sont pas directement déclenchés par les éclairs. Ils sont associés à la grêle, durant les orages. Ils sont aussi plus brillants que les farfadets. Leur couleur bleue est due àun ensemble de raies spectrales d'émission du diazote, neutre et ionisé. La vitesse ascensionnelle des jets bleus est de l'ordre de 100 km/s. Le premier enregistrement date du 21 octobre 1989, sur une vidéo monochrome d'un orage sur l'horizon, prise à partir de la navette spatiale américaine, alors qu'elle survolait l'Australie. Les jets bleus sont beaucoup moins fréquents que les farfadets. En 2007, moins d'une centaine d'images avaient été prises. Au large de Cannes Les jets « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les phénomènes lumineux https://www.youtube.com/watch?v=KSEFn_ZrUAQ&t=164s Vidéo mission Taranis : Partie 3 Une digression : le rayon vert « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain E. Touchet, Sur le « Rayon vert », La Nature N°2670 -6 juin 1925 « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Le rayon vert « Voici ce que révèle l’observation à la jumelle : pendant la dernière minute qui précède le coucher, alors qu’une fraction notable du Soleil est encore visible, le disque ondulant, mais bien tranché, est entouré d’une frange verte (fig. 1, I). Tant que le disque n’est pas entièrement couché, la frange n’est pas visible à l’œil nu. Elle le devient brusquement - et c’est alors qu’apparait le Rayon Vert - au moment précis où le disque s’évanouit définitivement sous l’horizon (fig. 1, II). » « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Le rayon vert A. Danjon et G. Rougier, « Le Rayon Vert », L’Astronomie, décembre 1920, p. 513 à 518. « M. Raymond Whitehead, à Castletown, Isle of Man (Angleterre), a signalé le 1er juin 1919 que le Soleil, se couchant par une soirée délicieuse, derrière une montagne éloignée de 5km environ, et dont le profil était en pente, il apu, en marchant très vite, dans une direction parallèle à la montagne, voir le Rayon Vert pendant 5 à 6 minutes au moins. » Voici le lien avec le mouvement ! « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Le rayon vert https://couleur-science.eu/?d=eb13d0--quelques-phenomenes-optiques-atmospheriques-ou-photometeores « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan (France) J.-C. Pain La parhélie On voit 3 Soleils : le Soleil normal ainsi que deux images de part et d’autre. C’est la déviation de l’image du Soleil par les cristaux de glace de l’atmosphère,ces cristaux étant tous de forme hexagonale,la déviation est alors de 22°. On voit dès lors deux Soleils de chaque côté, à 22°du vrai. C’est le parhélie (du grec helios,le Soleil). Avec la Lune : parasélène (du grec seléné,la Lune). Rare. https://couleur-science.eu/?d=eb13d0--quelques-phenomenes-optiques-atmospheriques-ou-photometeores « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan J.-C. Pain Les colonnes lumineuses Ce sont des colonnes de lumière au-dessus du Soleil. Ils sont aussi visibles au-dessus de fortes lumières des villes par grand froid (-20 °C) : les cristaux de glace plats et horizontaux agissent comme plein de miroirs qui renvoient la lumière du soleil couchant vers l’observateur. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan (France) J.-C. Pain Fata Morgana Les mirages. Fata morgana observée en août 2022 entre l'Archipel des Glénan et Bénodet. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan (France) J.-C. Pain Fata Morgana Fata morgana sur la Pointe du Raz et sur le phare de la Vieille (à droite) observée depuis le Toulinguet à Crozon en 2022. « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan (France) J.-C. Pain Fata Morgana Laurianne Palin (IRF, Upssala) Emeric Clotilde et Maëlle Et bien sûr : le club Pégase de Saint-Renan ! « Les aurores polaires et la danse des particules », 4 octobre 2025, Saint-Renan (France) J.-C. Pain Remerciements Photo Thomas Pesquet (2021) Kirkjufell, Islande 70 Trugarez evit hoc'h evezh !