©Planeterrella Un simulateur d’aurores polaires
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Ovales auroraux

Nous voici dans le monde de Birkeland : il a, lui aussi, amplement observé cette configuration, et en a tiré de très nombreux articles scientifiques. C’est par ces observations qu’il a démontré le mécanisme des aurores polaires. Fort de sa découverte, il est allé la présenter à William Thomson [1824-1907] (à ne pas confondre avec J.J. Thomson [1856-1940], le physicien qui venait de découvrir les électrons en 1897). Mais Thomson ne croyait pas la théorie de Birkeland : « s’il y a des électrons, il doit y avoir aussi des protons. Où sont-ils ? ».
Bientôt, Thomson prétendit avoir la théorie correcte des aurores, théorie qu’il ne publia cependant jamais. En revanche, anobli et devenu Lord Kelvin, il découvrit ce qu’est la température, et en conséquence le zéro absolu. Il inventa l’échelle absolue des températures (que nous appelons aujourd’hui les Kelvin). Très intelligemment, il garda comme écart entre deux Kelvin le même écart qu’entre deux degrés Celcius.

Mais revenons à la configuration en Terrella de Birkeland. La buse électrique – devenue une étoile – envoie les électrons perpendiculairement à l’axe magnétique de la planète.
Birkeland avait suspendu sa sphère unique dans son enceinte à vide, et son installation ne lui permettait que très difficilement d’autres configurations. La pression à l’intérieur de l’enceinte peut évoluer (de la dizaine à la centaine de Pascal). L’influence de l’intensité électrique est faible : à partir de 300 V, et jusqu’à 3000 V, nous observons peu d’écarts. (Note pour les physiciens, cela correspond à des énergies d’électrons de … 300 à 3000 eV. Or, il suffit de quelques eV pour exciter le gaz, et un peu plus d’une dizaine d’eV pour l’ioniser.)

C’est Guillaume Gronoff qui a observé et photographié le plus de cas différents, retrouvant patiemment toutes les configurations de K. Birkeland, et d’autres que Birkeland n’avait pas vues. Lorsque la pression est de l’ordre de la centaine de Pascal, les ovales auroraux se dessinent autour des pôles magnétiques. Mais si la pression baisse, un anneau apparaît autour de la sphère, dont les pieds bouclent sur les ovales auroraux. Cet anneau de courant existe quelque soit la pression, mais n’est pas toujours bien visible. Il est encore plus spectaculaire dans une autre configuration illustrée sur ce site. Il existe également sur Terre, où il a été découvert par James Van Allen en 1959, au début de l’ère spatiale.

Que voit-on ?
Les électrons sont tirés par la buse – étoile qu’on appelle alors pompeusement un « canon à électrons ». Ils sont attirés vers la sphère par le champ électrique qui règne entre eux. Ce champ existe simplement parce que la buse est reliée au pôle moins du générateur et la sphère au pôle plus. En arrivant à proximité de la sphère, les électrons commencent à subir l’influence du champ magnétique. Plus ils s’approchent des aimants, plus le champ croît. L’effet de cette croissance de champ est de forcer les électrons à tourner autour de la sphère (pour les physiciens : c’est une dérive de gradient).
Là, ils cognent dans le gaz encore présent, de l’air très raréfié. Ces collisions excitent et ionisent le gaz, mélange d’azote et d’oxygène. En revenant à l’équilibre, l’air rend son énergie sous forme de lumière : c’est la création des aurores polaires, et du rayonnement visible avec la Planeterrella.
Mais dans cette configuration, tôt ou tard, les électrons subissent une collision qui va les dévier vers les pôles. Ils s’y dirigent, s’y concentrent, heurtent l’atmosphère. La lumière est plus intense sur les ovales auroraux parce que la concentration des électrons y est plus élevée.

Il y a de nombreux sites Web qui proposent des images d’ovales auroraux. J’ai choisi ceux pris par le satellite de la NASA : Dynamics explorer qui a fonctionné de 1981 à 1991. Bien que les clichés soient un peu vieux, je continue à les trouver très émouvants.
Les images des ovales auroraux de Jupiter et de Saturne sont disponibles sur le site Web du télescope spatial de Hubble.

Les ovales auroraux de la Terre photographiés par Dynamics Explorer

Des ovales auroraux simulés par la planeterrella

Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG)