Aurores sur les planètes du système solaire

Ceux qui, au moins une fois dans leur vie, ont vu les aurores boréales du nord (ou du sud) de leurs propres yeux diront que c'est tout simplement un spectacle fantastique. Un miracle de la nature à l'échelle planétaire, un phénomène grandiose qu'une personne peut observer sur la Terre à l'œil nu. La lueur de l'atmosphère à des centaines et des milliers de kilomètres est si colorée et dynamique qu'elle donne l'impression de quelque chose de vivant, de bougeant, de respirant ...

Mais seule notre planète peut-elle se targuer de ce grand spectacle? Si ce n'est pas le peuple indigène, les futurs colons, par exemple Mars ou les lunes de Jupiter, peuvent observer quelque chose comme ça?

Que faut-il pour que les aurores apparaissent sur une planète?

Par définition, les aurores sont la luminescence des couches atmosphériques supérieures des planètes avec une magnétosphère en raison de leur interaction avec les particules chargées du vent solaire.

Il nous faut donc:

1. Le vent solaire, qui est un flux de particules chargées - protons, électrons, noyaux d'hélium, etc. - Il y en a toujours dans tout le système solaire.
Planètes ou leurs satellites:
2. L'atmosphère avec les atomes dont le vent solaire va interagir.
3. Un champ magnétique qui dirige les particules chargées vers une région spécifique de la planète (pas nécessairement vers la polaire, - l'angle entre l'axe magnétique et l'axe de rotation de la planète peut être significatif.)

Voyons comment cela fonctionne sur Terre.

La terre

La terre peut être considérée comme un grand aimant dont le pôle sud est situé près du pôle géographique nord et le nord près du sud. Les lignes géomagnétiques de la Terre sont légèrement compressées du côté du Soleil en raison de la pression du vent solaire et sont tirées dans la direction opposée, formant une queue magnétosphérique à la Terre.

Et comment les particules du vent solaire se comportent-elles lorsqu'elles interagissent avec la magnétosphère de la planète? - Dans l'espace proche de la Terre, tout se passe comme avec un plan supersonique. - Le flux du vent solaire à une vitesse supersonique (400-700 km \ sec) parcourt la magnétosphère de la planète, entraînant la formation de la soi-disant onde de choc de tête. - (La vitesse du vent solaire dans l'orbite de la Terre est environ 10 fois la vitesse du son dans le plasma proche de la Terre.)

L'onde de choc de la tête est donc un obstacle magnétique qui dévie les particules chargées du vent solaire le long des trajectoires autour de la planète. En volant dessus, la plupart des particules chargées circulent simplement autour de la magnétosphère.

Une partie du plasma solaire tombe dans les pièges magnétiques des ceintures de rayonnement de la Terre - il est difficile pour les particules chargées de se déplacer sur les lignes de force et elles s'enroulent simplement autour d'elles et peuvent pendre d'un pôle à l'autre pendant des décennies.

Et une partie pénètre encore librement dans l'ionosphère polaire à travers les cuspides polaires - des zones en forme d'entonnoir s'étendant de la Terre à la magnétopause, résultant de l'interaction du vent solaire et du champ magnétique terrestre.

À travers les cuspides, les particules du vent solaire «se déversent» dans les couches supérieures de l'atmosphère de la planète dans deux régions à hautes latitudes.


Magnétosphère terrestre

Ces zones sont deux ovales (dans les hémisphères nord et sud), éloignés des pôles géomagnétiques la nuit d'environ 20 ° et l'après-midi de 10 °. La longueur de ces zones ovales en latitude n'est que de quelques centaines de kilomètres.
Avec un orage magnétique intense, l'ovale se déplace fortement vers l'équateur.

Et si pendant les périodes de soleil calme, l'intensité des aurores est, pour le dire légèrement, faible, la question est aggravée pendant l'activité solaire. Les émissions de masse coronale (plasma de la couronne du soleil) augmentent considérablement l'intensité du vent solaire.

Des sous-orages magnétosphériques sont ajoutés au feu. Au cours de celles-ci, dans la queue géomagnétique (du côté nuit de la Terre), les lignes de force du champ magnétique interplanétaire et du champ géomagnétique de la Terre se reconnectent. En conséquence, la topologie de la ligne change, l'énergie libérée de manière explosive est convertie en un nouveau courant, appelé "jet électrique". Un électrojet, entre autres, chauffe et accélère les particules chargées, les transformant en un flux de plasma à haute énergie.



Puisque le vent solaire et les éjections de la masse coronale du Soleil sont principalement des protons et des électrons, respectivement, deux types d'aurores sont distingués.

Aurores électroniques,

causée par les flux d'électrons et prévalant sur Terre. Ce sont tous des arcs verts ou violets-framboises familiers, des rayures rayonnantes, des rubans, des rideaux et d'autres formations qui ont une structure assez clairement définie.

Comment se forment. - Les électrons du plasma solaire, pénétrant dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre, descendent à des hauteurs de 400 à 100 km au-dessus du niveau de la mer. Ici, sous leur action, l'ionisation des gaz atmosphériques neutres (oxygène et azote) a lieu, ainsi que l'excitation de leurs atomes et molécules. En réponse à cela, les molécules, atomes et ions de l'oxygène et de l'azote atmosphériques émettent des quanta de lumière à une longueur d'onde strictement définie.



Cela détermine la couleur des aurores: par exemple, l'oxygène est responsable de la couleur verte (sa ligne la plus forte), et l'azote, du violet, du bleu ou du rouge. En général, chaque aurore a sa propre palette de couleurs unique, en fonction du pourcentage en constante évolution de la composition chimique de l'atmosphère.

Les flux électroniques provoquent des aurores sur Terre, enregistrées non seulement dans le domaine visible.

Les aurores à rayons X sont rares sur Terre, mais ne se trouvent encore que sur Jupiter.


L'aurore à rayons X la plus forte enregistrée le 11 avril 1997 par le satellite en orbite polaire. La photo montre des rayons X (en couleurs conventionnelles) générés dans la haute atmosphère et dus aux flux d'électrons de haute énergie.

Aurores protoniques

C'est également un phénomène assez rare sur Terre et sa contribution à l'éclat du ciel terrestre est relativement faible.

Les protons, entrant dans l'atmosphère terrestre, entrent également en collision avec des molécules et des atomes de gaz atmosphériques, les excitant et les ionisant. Mais en même temps, un proton peut capturer un électron libre et un processus de recharge se produira. En conséquence, un atome d'hydrogène neutre est formé, qui peut émettre des photons dans les gammes visible et UV.



La forme la plus courante des aurores protoniques est un arc assez large, allongé dans la direction d'est en ouest, avec une largeur de 300 à 1000 km. Il y a aussi des arcs et simplement des taches diffuses.


Arc de proton rouge, Michigan


Aurora à protons puissante dans la gamme UV. Photo du satellite IMAGE

Voyons maintenant comment les choses se passent avec les aurores sur d'autres planètes.

Mercure

Tout va mal.

Malgré le champ magnétique existant, dont l'intensité est cependant 100 fois inférieure à celle de la Terre, l'atmosphère sur la planète est pratiquement absente. Il est tellement raréfié que les particules du vent solaire constituent elles-mêmes l'atmosphère de la planète, couplées à des atomes chassés de la surface. Les atomes de l'atmosphère entrent plus souvent en collision avec la planète qu'entre eux.

Vénus

Pas si mal que cela puisse paraître.

La situation face à Mercure est une atmosphère dense et dense et l'absence de champ magnétique global. Mais malgré cela, Vénus a une magnétosphère faible - elle est induite par le vent solaire lui-même, et non par la planète.

Dans les années 2000, Venus Express a découvert qu'une queue magnétosphérique, semblable à celle de la Terre, s'étend derrière Vénus. Là aussi, une reconnexion des lignes de champ magnétique se produit. - Les lignes omnidirectionnelles d'un plasma solaire en mouvement sont trop proches les unes des autres et sont fermées.

Le vent solaire, contrôlé par le processus de reconnexion, interagit complètement avec les gaz atmosphériques de Vénus. Par conséquent, l'aurore ici n'est pas entièrement polaire, ou plutôt pas du tout polaire, et représente des taches lumineuses et diffuses de différentes formes et intensités. Parfois, ils affectent l'ensemble du disque planétaire. Particulièrement clairement visible du côté nocturne de la planète.

Mars

Il n'y a pas non plus de champ magnétique global sur Mars, cependant, il y a une aimantation locale résiduelle de la croûte, en particulier dans les hautes terres de l'hémisphère sud.

L'atmosphère de Mars est mince et raréfiée, principalement constituée de dioxyde de carbone. En interagissant avec les électrons du vent solaire, qui accélère le long des lignes des champs magnétiques locaux, on peut observer des aurores d'électrons ultraviolets rares et à court terme.

Le 14 août 2004, un tel phénomène a été enregistré par l'instrument SPICAM à bord de la station orbitale Mars Express dans la région des terres cimmériennes. La taille totale de la région rayonnante était d'environ 30 km de diamètre et d'environ 8 km de hauteur.


Champs magnétiques locaux de Mars

Mais les aurores protoniques, enregistrées pour la première fois lors d'une tempête solaire les 12 et 13 septembre 2017 par l'orbiteur MAVEN, ne sont pas plus puissantes et plus globales. Ils peuvent couvrir presque toute la planète.

Mars est entourée d'une vaste couronne d'hydrogène neutre. Les protons du vent solaire, qui ont subi le processus de recharge dans la couronne, pénètrent sous forme d'atomes neutres à travers l'onde de choc de tête (il ne contient que des particules chargées) et interagissent avec des atomes et des molécules de gaz atmosphériques dans la thermosphère inférieure (à des altitudes de 110 à 130 km), générant un rayonnement ultraviolet .

Le niveau de rayonnement à la surface de Mars, enregistré pendant cette tempête solaire par le rover Curiosity, a battu tous les premiers records, dépassant presque deux fois leurs lectures.
(Curiosity a un tel appareil - "Radiation Assessment Detector" ou RAD. Il recueille des données pour estimer le niveau de fond de rayonnement qui affectera les participants aux futures expéditions vers Mars. L'appareil est installé presque au "cœur" du rover, simulant une personne à l'intérieur de l'espace navire).

Ainsi, pendant les tempêtes solaires, les colons sur Mars feraient mieux de se cacher quelque part.


Les données ultraviolettes sont superposées à l'image de Mars du côté nocturne avant (à gauche) et pendant (à droite) l'événement. Le rayonnement auroral semble être le plus brillant au bord de l'image de la planète le long de la ligne de la couche lumineuse de l'atmosphère.

Géants du gaz

Les quatre planètes géantes du système solaire ont tout pour l'apparition d'aurores - des atmosphères puissantes et des champs magnétiques puissants.

Une caractéristique désagréable des observations de la Terre (et généralement des régions intérieures du système solaire) des planètes géantes est qu'elles font face à l'observateur avec le côté illuminé par le Soleil. Par conséquent, dans le domaine visible, leurs aurores sont perdues dans la lumière du soleil réfléchie.

Cependant, des aurores dans d'autres plages électromagnétiques peuvent être "détectées". - Le rayonnement UV des atmosphères géantes riches en hydrogène est enregistré par le télescope spatial Hubble. La portée des rayons X est à nouveau captée par le télescope spatial Chandra. Et l'infrarouge détecte même la Subaru au sol.

Système Jupiter

Dois-je dire que la plus grande planète du système solaire a les aurores les plus puissantes? De plus, contrairement à la Terre, les aurores de Jupiter sont permanentes.
Une autre caractéristique étonnante des aurors de Jupiter est qu’ils surviennent non seulement à cause du vent solaire, mais aussi à cause des flux de particules émis par les satellites de la planète: Io, Ganymède et Europe (des aurores sont également observées sur ces satellites).

La présence de Io est particulièrement affectée, car ce satellite est volcaniquement actif et possède sa propre ionosphère.


Jupiter Aurora Borealis. Prise de vue combinée Hubble, plage visible et UV.

Little Io joue un rôle important dans la formation du champ magnétique du géant Jupiter. - Ses volcans émettent dans l'atmosphère une masse de soufre ionisé et neutre, d'oxygène, de chlore, de sodium et de potassium atomique, de dioxyde de soufre moléculaire et également de poussière de chlorure de sodium. Toute cette substance est tirée par la magnétosphère de Jupiter de la mince atmosphère de Io à une vitesse de 1 tonne par seconde.

Dans ce cas, en fonction de l'ionisation, cette matière disparaît soit dans un nuage neutre raréfié autour du satellite (une tache jaune sur la figure) soit dans un tore de plasma entourant l'ensemble de Jupiter (la région rouge est également là).


Schéma de la magnétosphère de Jupiter et des effets de Io: tore plasma (rouge), nuage neutre (jaune), tube de flux (vert) et lignes de champ magnétique (bleu)

Et comment Io affecte-t-il les aurores de Jupiter? Il s'avère que la partie du gaz ionisé que la planète «vole» de son satellite est dirigée le long des lignes de force du champ magnétique vers ses pôles (anneau vertical vert sur la figure ci-dessus). Il s'avère, pour ainsi dire, un tube reliant Io et les régions polaires de Jupiter, à travers lesquelles les particules chargées y sont pompées. En conséquence, une «empreinte» de Io se forme dans l'atmosphère de Jupiter: une tache aurorale, qui suit la rotation du satellite avec un certain retard.


Animation créée à partir d'images du télescope spatial Hubble, printemps 2005. Le sentier d'Io est visible à droite

De la même manière, mais dans une bien moindre mesure, les aurors de Jupiter sont affectés par deux de ses autres lunes - l'Europe et Ganymède. Leurs taches aurorales chaudes se forment en raison d'ions fortement chargés d'oxygène, de soufre et, éventuellement, de carbone, qui échangent activement des charges.


Les points auroraux ou chauds (en lumière ultraviolette) d'Io, de Ganymède et d'Europe sont des traces de lignes de force magnétiques reliant les ionosphères des satellites à l'ionosphère de Jupiter.
Des taches lumineuses à l'intérieur des anneaux principaux, apparaissant de temps en temps, seraient associées à l'interaction de la magnétosphère et du vent solaire.


Les aurores boréales et méridionales de Jupiter. Photos de la planète et photos des aurores prises par divers instruments du télescope Hubble (portée visible et ultraviolets).

Les aurores aux rayons X de Jupiter sont extrêmement intéressantes. - Premièrement, Jupiter est la seule géante gazeuse du système solaire à avoir des aurores X. Deuxièmement, contrairement à la Terre, où les aurores aux pôles nord et sud sont presque une image miroir l'une de l'autre, le rayonnement aux pôles de Jupiter est «non synchronisé» - les aurores sud et nord se comportent indépendamment l'une de l'autre et changent d'intensité différemment.

De plus, la radiographie de Jupiter vibre. Au pôle sud - toutes les 11 minutes, mais au pôle nord l'aurore est instable et change son activité indépendamment et avec une fréquence différente - à différentes périodes - de 12 à 26 et même jusqu'à 40 à 45 minutes.
Les raisons d'une telle désynchronisation et ondulation ne sont pas encore claires.


Aurores X dans les hémisphères nord et sud de Jupiter. Données satellite XMM-Newton et Chandra X-ray

Et une autre question - comment Jupiter donne-t-il aux particules de sa magnétosphère des énergies énormes nécessaires pour créer un flux constant de rayons X?

On suppose que la planète accélère les ions d'oxygène à des énergies incroyablement élevées qui, lorsqu'elles entrent en collision avec l'atmosphère à une vitesse de mille kilomètres par seconde, perdent les huit électrons. Les observations futures de Chandra, XMM-Newton et de la station Jupiter Juno devraient révéler la nature de ce processus.


Photo combinée aux rayons X de Hubble et Chandra


Photo + reconstruction de l'aurore dans le domaine visible au-dessus du pôle nord de Jupiter à partir de l'appareil "Juno". La station orbitale Jupiter a permis d'observer le côté obscur de la planète. 18 décembre 2018.


Une image infrarouge de l'aurore au pôle Sud de Jupiter avec le télescope Subaru.

Les gaz qui interagissent avec le vent solaire dans la haute atmosphère sont chauffés, comme sur Terre. Cependant, le réchauffement de l'atmosphère jovienne se produit deux ou trois fois plus profondément que sur Terre, atteignant le niveau inférieur de la stratosphère.

Eh bien, on ne peut manquer de noter Ganymède - le plus grand satellite du système solaire et le seul avec sa propre magnétosphère. Il est très petit et immergé dans la magnétosphère de Jupiter. Cependant, la présence de Ganymède a également une atmosphère d'oxygène faible et provoque la présence d'aurores ultraviolettes.

En observant les aurores de Ganymède (et elles dépendent des changements dans le champ magnétique de Jupiter - tandis que les aurores de Ganymède semblent «osciller»), les scientifiques sont arrivés à une conclusion étonnante: sous la croûte de Ganymède, une grande quantité d'eau salée est contenue et elle affecte son champ magnétique.

La présence de l'océan salé crée un champ magnétique secondaire, qui vous permet de résister à l'influence de Jupiter. Ce «frottement magnétique» supprime en quelque sorte le balancement des aurores. En pratique, le balancement des aurores est réduit à 2 degrés (au lieu de 6 degrés, ce qui serait observé si l'océan n'existait pas).

Selon les scientifiques, la profondeur de l'océan est de 100 kilomètres, c'est-à-dire qu'elle est environ 10 fois plus profonde que les océans de la Terre.Certes, l'océan de Ganymède est enterré sous une coquille de glace de 150 à 170 km.


Photo combinée Hubble dans les gammes visible et visualisation UV + Ganymède.

Système saturne

Saturne a aussi des aurores, où vont-elles?

Ici, Encelade est «volcaniquement» actif, dont la région polaire méridionale crache activement des fontaines de vapeur d'eau contenant des particules de glace dans l'atmosphère entourant le satellite. Ces émissions atteignent plusieurs centaines de kilomètres et font même partie de l'anneau E, dans lequel Encelade tourne.

Une partie de cette vapeur d'eau est ionisée et dans un volume de 100 kg par seconde reconstitue la magnétosphère de Saturne avec divers hydro-, hydrogène, oxygène et autres ions et radicaux.

Cependant, ils ne sont pas suffisants pour gonfler la magnétosphère géante à la taille de Jupiter. Par conséquent, les aurores de Saturne dépendent beaucoup plus fortement que de Jupiter de l'intensité du vent solaire. En cela, ils sont similaires à ceux terrestres.


Aurore boréale de Saturne, capturée par Cassini dans l'infrarouge (4 microns, bleu). Les nuages ​​en dessous sont colorés en rouge conditionnel (5 microns). Un nuage hexagonal découvert plus tôt est visible juste sous les lumières.

Les aurores sur Saturne, ainsi que sur Terre, forment des anneaux fermés ou incomplets autour des pôles magnétiques.

«Les aurores sur Saturne peuvent être extrêmement volatiles. - Maintenant, vous voyez les feux d'artifice tourbillonnants, et après un certain temps, vous ne voyez rien. En 2013, par exemple, nous avons vu une multitude inimaginable d'aurores sur les deux pôles de la planète - des anneaux brillants réguliers aux éclairs ultrarapides de lumière passant à travers le pôle », dessine Jonathan D. Nichols de l'Université de Leicester en Angleterre.


Le pôle Sud de Saturne et le fonctionnement conjoint du télescope Hubble dans la gamme UV et de l'appareil Cassini dans les gammes visible, infrarouge et radio.
Trois images de Saturne, prises à des intervalles de deux jours.


Et Saturne en ultraviolet pur de Hubble.

Grâce à la capacité de Cassini à observer des objets à la lumière visible, les scientifiques ont pu découvrir les couleurs des aurores sur Saturne. Alors que les Aurors sur Terre ont des couleurs vertes plus proches de la surface et rouges en haut, les caméras de la sonde ont montré que les aurores sur Saturne ont des couleurs rouges plus proches du centre de la planète et violettes dans la haute atmosphère.

Aurore particulièrement brillante sur Saturne, prix de près par la mission Cassini le 29 novembre 2010. Le rayonnement descendant de la surface de la planète (occupant la partie supérieure de l'image) sur 1 400 km. Les lignes pointillées connaissent les parallèles et les méridiens, les tirets au bas de la photo sont des étoiles.

Uranus et neptune

Tout va mal avec Dieu avec Uranus ici - et il se trouve sur le côté, et l'axe du champ magnétique ne passe pas par le centre géométrique de la planète. Il «manque» d'un tiers du rayon et est incliné jusqu'à 59 ° par rapport à l'axe de rotation.

Un "pouvoir" supérieur - uniquement à Neptune. L'axe de son dipôle est décalé de 14 000 km du centre de la planète (c'est 0,57 de ses rayons), et le centre du dipôle est décalé de 6 000 km vers l'hémisphère sud. Par conséquent, le champ magnétique au pôle magnétique sud est 10 fois plus élevé qu'au nord. Mais la pente est moins - 47 °.

Malgré une telle «courbure et surdimensionnement» des axes, les champs magnétiques des géantes de glace ne sont pas si faibles - Uranus presque comme la Terre, Neptune seulement 2-3 fois moins. En conséquence, il y a à la fois des magnétosphères et des ondes de choc de tête, et les aurores doivent être couplées à des atmosphères puissantes.



Les difficultés de la chasse aux aurores sur Uranus et Neptune sont qu'il n'est pas facile de calculer le «temps de vol» d'une éjection coronale du Soleil. Même vers la Terre, des particules de haute énergie volent un jour, deux ou trois, et il est impossible de prédire avec précision l'heure. La vitesse d'éjection, bien sûr, est connue - elle représente généralement des centièmes de la vitesse de la lumière, c'est-à-dire des milliers de kilomètres par seconde - mais le résultat est également affecté par l'interaction des particules avec les champs gravitationnel et magnétique du soleil.

Il est facile de calculer qu'avec une vitesse d'émission de 3000 km / s et une distance d'Uranus de près de 3 milliards de km, les aurores sur la planète se produiront dans environ 11 jours. Cependant, l'erreur dans ces calculs est importante et la durée de fonctionnement du télescope Hubble est prévue, il est donc impossible de regarder Uranus ou Neptune plusieurs jours de suite.

Et comme les géants des glaces n'avaient pas de missions orbitales, dans le cas d'Uranus, la première aurore n'a été enregistrée qu'en 2011.

Aurora sur Neptune n'a pas encore été capturée par des télescopes. Voyager 2 a observé des aurores dans l'atmosphère de Neptune - elles étaient dispersées dans tout l'espace (et pas seulement dans les zones ovales autour des pôles). Des aurors ont également été observés sur Triton.


Uranus aurora capturé par le spectrographe UV Hubble en 2011, 2012 et 2014.