Observations et modélisation des aurores à différentes longueurs d’onde

Physique spatiale
On observe des aurores sur chaque objet du système solaire possédant un champ magnétique, quelle que soit l’atmosphère et la magnétosphère de l’objet. Dans le cadre du projet BRAIN-Be MOMA (Multi-wavelength Observations and Modelling of Aurora), nous étudions les aurores terrestres dans l’ultraviolet, le visible ainsi que dans le domaine radio. A travers les observations et les modèles, le but est de mieux comprendre les processus physiques qui sont à l’œuvre lors de la formation des aurores. Plus globalement, ce projet vise à mieux comprendre l’environnement spatial proche de la Terre dans le cadre de la météorologie de l’espace.

Emissions Aurorales

Le phénomène d’aurore se produit sur n’importe quelle planète ayant une atmosphère ainsi qu’un champ magnétique. Les particules énergétiques (électrons) de la magnétosphère sont accélérés le long des lignes de champs magnétique de la planète et vont interagir avec les molécules/atomes neutres de la haute atmosphère. Les émissions lumineuses lors de la désexcitation de ces atomes/molécules produisent alors les aurores.

La couleur de ces émissions dépend de la nature de l’atome/molécule excité(e). Sur Terre, les émissions dans le vert et le rouge, respectivement à 557.7 nm et 630 nm, proviennent des atomes d’oxygène entre 110 et 220 km d’altitude. Les particules les plus énergétiques peuvent descendre à des altitudes inférieures à 100 km, et interagir avec l’azote moléculaire, donnant les émissions bleues (à 427.8 nm) et violettes.

Les aurores ne se limitent pas au spectre visible:

  • Emissions dans l’UV venant du même mécanisme d’excitation par les électrons
  • L’interaction entre les électrons précipitants et des ondes électromagnétiques à haute altitude peut produire des émissions radio, le rayonnement kilométrique auroral (AKR en anglais)’’.

Observations, techniques et modèles

En utilisant des observations dans le visible des arcs auroraux, obtenues avec les stations au sol ALIS (Auroral Large Imaging System) installées en Scandinavie, le volume d’émission en 3D de l’arc auroral peut être reconstruit en utilisant des techniques de tomographie.

L’émission dans le bleu est directement proportionnelle à l’énergie déposée dans l’atmosphère par les électrons, la chimie atmosphérique et d’autres processus secondaires n’entrant pas en jeu.  En utilisant une seconde inversion, cette propriété nous permet d’obtenir le flux différentiel en énergie des électrons précipitants à partir du volume d’émission de la raie bleue reconstruit entre 100 et 260 km. Cette méthode conduit à une carte en 2D du flux électronique précipitant dans l’atmosphère, alors que les mesures in-situ réalisées par les satellites ne fournissent que des solutions 1D le long de leurs trajectoires.

Les flux électroniques précipitant à 260 km peuvent être utilisés comme une condition aux limites dans le modèle de couplage magnétosphère-ionosphère développé à l’IASB. Les propriétés du plasma du générateur magnétosphérique, la source des électrons précipitants, peuvent être déterminés indirectement en utilisant des procédures d’optimisation.

La méthode a été testée avec succès, et les propriétés d’une interface magnétosphérique distante (à ~ 24000 km d’altitude) ont pu être déterminées, fournissant l’énergie nécessaire à la production des aurores polaires observées par ALIS. Ces études seront extrêmement utiles pour reconstituer en quasi-temps réel les flux électroniques précipitants avec le nouveau réseau de cameras ALIS_4D, et également pour fournir des spectres d’émissions synthétiques dans l’UV, utiles pour les futures observations à bord de la mission conjointe ESA/CAS, SMILE (Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer).

 

Remerciements :

Cette recherche a été conduite dans le cadre du projet MOMA financé par le programme de recherche BRAIN-Be pour la période 2016-2020.

Taux d’émission volumique reconstruit
Taux d’émission volumique reconstruit pour la raie bleue à 427.8 nm en utilisant des techniques de tomographie à partir des données ALIS d’un arc auroral. Projection à 110 km dans le plan longitudinal-latitudinal (gauche) et projection latitudinale en fonction de l’altitude dans le plan passant par le radar UHF EISCAT situé à proximité (droite)
Ensemble de configurations théoriques d’arc auroral
A partir d’un ensemble de configurations théoriques d’arc auroral, la méthode sélectionne la configuration qui ajuste le mieux les observations (celle d’ALIS ou bien in-situ provenant d’un satellite). En utilisant ensuite le modèle de couplage magnétosphère-ionosphère développé à l’IASB, le générateur atmosphérique capable de produire cet arc particulier est déterminé. La figure montre plusieurs exemples possibles pour des arcs auroraux théoriques, illustrant de haut en bas, le flux en énergie des électrons auroraux précipitants, le potentiel électrique, le courant lié aux électrons, et la perturbation ionosphérique lié à la conductivité électrique de l’aurore. Les données in-situ du satellite DMSP F15 sont également présentées.