Chaque couleur des lumières du nord et du sud expliqué

Les aurores – les lumières du nord et du sud – sont sans aucun doute l'une des affichages naturels les plus spectaculaires du monde. Si vous êtes au bon endroit au bon moment pour voir les lumières du nord ou du sud, vous serez témoin de rideaux chatoyants de couleur dansant au-dessus de vous dans le ciel nocturne. Par une nuit normale, vous verrez probablement juste des lumières vertes gonfler dans le ciel, mais parfois les aurores ont présenté un spectacle avec des lumières rouges ou bleues. Et si vous avez vraiment de la chance, vous pourriez voir le jaune ou le rose.

Pour comprendre comment ces différentes couleurs sont fabriquées, il aide à comprendre le mécanisme de base de la façon dont les aurores sont produites. Tout commence au soleil. Outre la lumière et la chaleur, le soleil émet un flux constant de particules à haute énergie (principalement des noyaux d'hydrogène et d'hélium dépouillés de leurs coquilles d'électrons) appelées vent solaire. La plupart de ce flux qui atteint la Terre est dévié de la magnétosphère, mais certains sont canalisés vers les pôles où il interagit avec l'atmosphère.

C'est cette interaction entre les particules à haute énergie et l'atmosphère qui crée la lumière brillante d'une aurore. Lorsque les particules entrent en collision avec de l'azote et de l'oxygène dans l'atmosphère, elles transfèrent un peu de leur énergie aux atomes atmosphériques, ce qui fait monter leurs électrons sur un niveau d'énergie. Lorsque ces électrons reviennent inévitablement à leur état fondamental, les atomes émettent chacun un photon de lumière, qu'en masse crée ce que nous voyons comme une aurore.

À l'œil nu, la couleur la plus courante des aurores est verte, en partie parce que les yeux humains sont affinés pour voir la couleur verte, ce qui facilite la distinction dans les scénarios à faible luminosité. La principale source de lumière verte dans les aurores est l'oxygène atomique (contrairement à l'oxygène moléculaire que vous respirez normalement). Cette lumière ne peut être produite qu'au-dessus d'une certaine altitude (généralement à environ 60 miles en haut). En effet, lorsque l'oxygène atomique est excité par une particule à haute énergie, il ne perd pas cette énergie tout de suite. Contrairement à un gaz comme le sodium ou le néon, qui revient à son état fondamental en un millionième de seconde, l'oxygène atomique prend environ trois quarts de seconde pour se calmer d'être excité.

Si, pendant ce temps, l'atome d'oxygène excité a une collision ou une réaction chimique avec d'autres éléments, il pourrait perdre cette énergie avant d'avoir une chance de le libérer comme photon. Cela se produit à des altitudes inférieures, car la densité croissante de l'atmosphère crée plus d'opportunités pour que ces interactions se produisent, volant l'oxygène du temps dont il a besoin pour briller. C'est aussi pourquoi le vert dans les aurores a tendance à avoir une limite inférieure distincte.

Les aurores rouges peuvent se former à la fois au-dessus et en dessous des bandes vertes les plus courantes, et la source de la couleur rouge dépend de la question de savoir si elle est au-dessus ou en dessous du vert. Au-dessus des bandes vertes (à plus de 150 miles en haut), la source d'émission rouge provient à nouveau d'oxygène. Ici, les collisions avec d'autres particules atmosphériques ne sont pas aussi courantes que plus profondes dans l'atmosphère, donc l'oxygène a plus de temps pour « récupérer » après avoir émis un photon vert. Il y a encore de l'énergie attachée dans les électrons excités de ces atomes d'oxygène, et tant qu'ils ne se heurtent pas à d'autres atomes ou molécules atmosphériques, après quelques minutes, ils peuvent émettre une autre rafale de lumière rouge et enfin revenir à leur état fondamental .

Le rouge que vous pouvez voir juste en dessous des aurores verts provient de l'azote moléculaire et est légèrement violet ou violet. Cette frange inférieure rouge aux aurores est rare car seule la plus énergique des particules solaires peut pénétrer en dessous de 60 miles, où l'azote est plus abondant que l'oxygène.

Parfois, pendant les tempêtes solaires intenses, les aurores rouges peuvent être vues bien au-delà des cercles polaires où la plupart des aurores sont généralement observées. Cela se produit lorsqu'il y a une grande explosion de particules solaires, comme une éjection de masse coronale, qui s'écrase dans des atomes d'oxygène à 200 miles dans l'atmosphère. Le volume de particules à haute énergie garantit que beaucoup de lumière sera émise, et le fait qu'il se produit à 200 miles garantit qu'il peut être vu de loin.

La lumière bleue ou violette d'une aurore peut provenir de trois sources moléculaires différentes, dont la plus importante est l'azote moléculaire ionisé. L'azote ionisé brille le plus souvent en bleu à environ 60 miles et n'est visible que pendant une activité solaire intense. Parce que l'azote ionisé et non ionisé se produit dans la même zone générale, leurs couleurs peuvent se mélanger, produisant des couleurs du rouge et du magenta au bleu et au violet.

Les bleus et les violets peuvent également être produits par l'hydrogène et l'hélium élevés dans l'atmosphère (plus de 180 miles). En raison de la rareté du gaz à cette altitude, ces couleurs sont difficiles à voir et n'apparaissent généralement que dans un ciel sombre et une activité solaire intense.

Les aurores jaunes découlent du même mélange de couleurs que les aurores roses ou magenta, seulement dans ce cas, c'est la lueur rouge du mélange d'azote moléculaire non ionisé avec le vert d'oxygène. Ceci est rare pour deux raisons: le premier est le temps solaire unique nécessaire pour déclencher des émissions d'azote à basse altitude, l'autre est le mélange de cet azote à basse altitude avec l'oxygène légèrement plus élevé.

La Terre n'est pas le seul endroit dans le système solaire avec des aurores. En fait, des aurores ont été observées autour de chaque planète, sauf le mercure, qui n'a aucune atmosphère pour que le vent du soleil interagisse. Malgré aucune magnétosphère planétaire, des aurores ont été observées sur Vénus et Mars. Alors que la magnétosphère terrestre dirige et concentre les particules solaires entrantes aux régions polaires, sur Vénus et Mars, les aurores peuvent se produire partout dans des particules solaires suffisantes.

Toutes les planètes géantes du gaz ont des aurores qui émettent une lumière ultraviolette. Les aurores de Jupiter sont si intenses qu'ils émettent réellement des rayons X! Les aurores de Saturne émettent une lumière visible et seraient rouge si vous passiez, tandis qu'Uranus a également des aurores dans le spectre infrarouge, et Neptune a des aurores qui émettent des vagues radio.

Au-delà des planètes, cinq lunes se sont également révélées avoir des aurores. Les quatre lunes galiléennes de Jupiter ont des aurores visibles, qui incluent toutes la lumière à base d'oxygène rouge, mais IO a également des émissions d'orange à partir de sodium atmosphérique. Le Triton de la lune de Neptune semble également avoir une aurore, mais en raison de la distance à laquelle il est, on sait peu de choses à ce sujet.