A-t-on vraiment observé un nouveau type d’aurores boréales ?

Les aurores en forme de dunes photographiées près de Ruovesi en Finlande. © R. Valonen
Des lueurs atmosphériques à la forme de dunes font beaucoup parler d’elles ces dernières semaines. Il s’agirait d’un nouveau type d’aurores polaires, selon les chercheurs qui les ont étudiées. Si l’idée de classer les aurores est discutable, ces observations correspondent cependant à un phénomène physique intéressant.

Depuis quelques semaines, des aurores boréales en forme de dunes font le buzz sur la toile. À l’origine de cet engouement, une publication scientifique dirigée par la chercheuse finlandaise Minna Palmroth, publiée dans AGU Advences.

Ces aurores boréales prennent la forme d’ondulations très régulières situées à 100 km d’altitude, et espacées de 45 km chacune. Parfois visibles pendant plus d’une heure, les stries sont perpendiculaires au ruban auroral classique. Autre caractéristique notable, le mouvement des dunes est moins dynamique que celui des aurores en marge desquelles elles se forment. Cette différence saute aux yeux sur le time-lapse ci-dessous réalisé par un photographe amateur.  

Un bel exemple de science participative

Les amateurs ont d’ailleurs joué un rôle central dans l’étude de ce phénomène, car la publication des chercheurs se base essentiellement sur leurs observations, en particulier celle du 7 octobre 2018. Ce soir-là, vers 17 h 40 TU, le même phénomène a été vu sous quatre angles différents depuis Ruovesi, Laitilla, Siilinjärvi et Hankasalmi, en Finlande. Les observateurs, amateurs et professionnels, se sont coordonnés pour prendre des images exactement au même moment. Trois autres observations multiples de ce type ont été enregistrées depuis 2015.

Les dunes photographiées au même moment depuis Ruovesi et Laitila le 7 octobre 2018. © AGU Advances/Palmroth et al 
Pour déterminer la hauteur des dunes, les chercheurs ont comparé la position des étoiles à l'arrière-plan entre les différents lieux. Crédit : AGU Advances

Peut-on vraiment classer les aurores boréales ?

Jean Lilensten

S’agit-il pour autant d’un nouveau type d’aurores polaires, comme l’annonce le titre de l’étude, « Cit­izen science dis­cov­ers a new form of the North­ern Lights » (« La science participative découvre une nouvelle forme d’aurores boréales ») ? « Nous avons abandonné la classification des aurores au XIXe siècle, à mesure que la compréhension du phénomène progressait. La taxonomie est une approche utile tant que l’on ne comprend pas les mécanismes », conteste Jean Lilensten, spécialiste du phénomène à l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble.

« Il n’existe en effet aucune classification officielle des aurores polaires, mais c’est ce qui a motivé l’écriture du livre Revontulibongarin opas (2018) par Minna Palmroth », justifie Maxime Grandin, du département de Physique de l'Université d'Helsinky et coauteur de l’étude menée par la chercheuse finlandaise. « Dans son ouvrage, Minna a répertorié toutes les formes d’aurores connues. Avec la collaboration des photographes amateurs réunis dans le groupe Facebook “Revontulikyttääjät”, elle a décrit chacune de celles-ci en y ajoutant l’explication scientifique associée », indique-t-il.

Faute de classification officielle, il en existe quelques-unes informelles ; et les dunes n’en font pas partie. « Le cas des dunes avait été laissé de côté lors de la rédaction du livre, car il s’agissait alors d’une forme d’aurore que les scientifiques n’avaient jamais étudiée, et pour laquelle l’explication scientifique n’allait pas de soi », précise Maxime Grandin.

Un air de famille avec l’airglow

Quoi qu’il en soit, l’ondulation observée mérite une explication physique. Son aspect rappelle celui d’une autre lueur atmosphérique bien connue : l’airglow. Contrairement aux aurores polaires, celui-ci peut être observé depuis n’importe quelle latitude. Il est lié notamment à l’excitation des molécules de l’atmosphère par la lumière solaire pendant la journée. Or, l’airglow présente généralement une ondulation similaire à celle observée dans les dunes. Ces ondulations sont imputées à des variations de densité de l’atmosphère, causées par exemple par le vent sur une chaîne de montagnes ou l’arrivée d’un front d’air froid. Dans la basse atmosphère, ce phénomène peut aussi façonner les nuages avec un motif de vagues parallèles.

« La principale différence entre les ondulations de l’airglow et les dunes aurorales est l’altitude à laquelle elles sont observées. L’airglow apparaît jusqu’à un peu plus de 90 km d’altitude, tandis que notre méthode de triangulation nous a permis de situer les dunes aurorales à 100 km d’altitude », souligne Maxime Grandin. Dans le cas des dunes, l’ondulation de l’atmosphère ferait varier la densité de l’oxygène, et donc la force de l’aurore boréale.

Un moyen de sonder « l’ignorosphère »

M. Grandin

L’intérêt de ces dunes aurorales est qu’elles se produisent dans une zone difficile à sonder, correspondant à la partie basse de l’ionosphère. « C’est trop haut pour les ballons, les lidars et les radars à météores, trop bas pour y placer des satellites. Jusqu’à présent, seules quelques observations au moyen d’instruments placés à bord de fusées ont pu être effectuées. Cette région est d’ailleurs surnommée “l’ignorosphère” », indique Maxime Grandin.

Or, les dunes nous montrent un phénomène physique en jeu à cette altitude. « Il s’agirait d’une forme relativement rare d’onde atmosphérique, appelée “mascaret mésosphérique” », explique le jeune chercheur. C’est-à-dire une onde atmosphérique comparable à ce train de vagues que l’on voit remonter les fleuves quand la marée monte. Et comme dans un fleuve, cette onde a besoin d’être guidée pour se propager sur une longue distance. Dans le cas de cette onde atmosphérique, les chercheurs émettent l’hypothèse qu’elle serait piégée entre deux couches d’inversion de température. L’une est permanente. Il s’agit de la mésopause, limite entre la mésosphère et la thermosphère vers 100 km d’altitude, à partir de laquelle la température de l’air cesse de diminuer pour augmenter à nouveau. 

L’autre couche d’inversion apparaîtrait en dessous sous l’effet de l’échauffement des ions, voire des électrons liés à l’activité solaire et précipités par le champ magnétique. « Cela reste une hypothèse, car il faudrait pouvoir quantifier ce chauffage et en particulier déterminer s’il est possible d’obtenir une inversion de température en dessous de la mésopause via ce processus », prévient Maxime Grandin.

 

D’autres observations sont souhaitables

Un point reste flou : l’épaisseur des dunes. À plusieurs reprises, il est évoqué que la zone de l’atmosphère illuminée est fine, mais sans qu’elle soit quantifiée. « Les photos donnent un rendu en deux dimensions. Or, ce qui semble horizontal peut ne pas l’être du tout. Certes, l’émission de la couleur verte des aurores a lieu entre 100 et 125 km, mais ça fait tout de même 25 km d’épaisseur… » prévient Jean Lilensten.

« C’est en effet un problème récurrent, bien au-delà de cette étude, car la quasi-totalité des instruments optiques étudie les aurores depuis le sol et présente donc la même limitation que les photos d’amateurs. Il nous est donc difficile d’en dire plus que le fait qu’elles sont fines », répond Maxime Grandin. Comprenez une épaisseur de quelques kilomètres.

Pour mieux comprendre le phénomène, d’autres instruments seraient nécessaires. « Il faudrait utiliser un radar géophysique type EISCAT et disposer de mesures optiques sérieuses : pas un appareil photo, mais au moins un spectrophotomètre, des imageurs étalonnés, etc. », suggère Jean Lilensten.

Et bientôt des satellites : « Le projet AMICal Sat, porté par Mathieu Barthélemy, directeur du CSUG à Grenoble, devrait être lancé cette année. Ce cubesat comportera des instruments pour observer les aurores depuis l’espace. En regardant dans la direction du limbe atmosphérique, il sera possible de mieux estimer leur épaisseur et leur luminosité en fonction de l’altitude », annonce Maxime Grandin.

Dans l’immédiat, c’est depuis le sol que les efforts vont se porter. « Nous espérons poursuivre nos recherches avec les photographes amateurs. Je trouve extrêmement positif que l’impulsion soit venue d’eux et qu’ils se soient impliqués pendant tout le processus, des premières interrogations sur les dunes jusqu’à la publication de l’article scientifique. C’est peut-être en montrant ainsi que chacun peut apporter sa pierre à l’édifice de la connaissance que la parole scientifique retrouvera sa légitimité », conclut Maxime Grandin.

 

Écoutez également notre podcast avec Maxime Grandin : Les aurores polaires en forme de dunes, expliquées par l’un de ses découvreurs

Recevez Ciel & Espace pour moins de 6€/mois

Et beaucoup d'autres avantages avec l'offre numérique.

Voir les offres

Nous avons sélectionné pour vous