L’arc-en-ciel électrique des aurores se produit lorsque des atomes excités se détendent par le biais de « transitions interdites ». La semaine dernière, une énorme éruption solaire a envoyé une vague de particules énergétiques du Soleil dans l’espace. Au cours du week-end, cette vague a atteint la Terre et les gens du monde entier ont pu admirer des aurores d’une rare intensité dans les deux hémisphères.
Alors que les aurores ne sont normalement visibles qu’à proximité des pôles, elles ont été observées ce week-end jusqu’à Hawaï dans l’hémisphère nord et jusqu’à Mackay dans l’hémisphère sud.
Ce pic spectaculaire d’activité aurorale semble avoir pris fin, mais ne vous inquiétez pas si vous l’avez manqué. Le Soleil approche du sommet de son cycle de taches solaires de 11 ans, et des périodes d’aurores intenses sont susceptibles de réapparaître au cours de l’année prochaine.
Si vous avez vu l’aurore, ou l’une des photos, vous vous demandez peut-être ce qui se passe exactement. Qu’est-ce qui produit ces lueurs et ces différentes couleurs ? La réponse est une question d’atomes, de leur excitation et de leur relaxation.
Quand les électrons rencontrent l’atmosphère
Les aurores sont causées par des particules subatomiques chargées (principalement des électrons) qui percutent l’atmosphère terrestre. Ces particules sont émises en permanence par le Soleil, mais elles sont plus nombreuses en période de forte activité solaire.
La majeure partie de notre atmosphère est protégée de l’afflux de particules chargées par le champ magnétique terrestre. Mais près des pôles, elles peuvent se faufiler et faire des ravages.
L’atmosphère terrestre est composée d’environ 20 % d’oxygène et de 80 % d’azote, avec quelques traces d’autres éléments comme l’eau, le dioxyde de carbone (0,04 %) et l’argon.
Lorsque des électrons à grande vitesse percutent des molécules d’oxygène dans la haute atmosphère, ils scindent les molécules d’oxygène (O₂) en atomes individuels. La lumière ultraviolette du soleil fait de même, et les atomes d’oxygène générés peuvent réagir avec les molécules d’O₂ pour produire de l’ozone (O₃), la molécule qui nous protège des rayons UV nocifs.
Mais dans le cas des aurores, les atomes d’oxygène générés sont dans un état excité. Cela signifie que les électrons des atomes sont disposés de manière instable et qu’ils peuvent se « détendre » en dégageant de l’énergie sous forme de lumière.
Qu’est-ce qui produit la lumière verte ?
Comme on le voit dans les feux d’artifice, les atomes de différents éléments produisent différentes couleurs de lumière lorsqu’ils sont excités.
Les atomes de cuivre produisent une lumière bleue, les atomes de baryum une lumière verte et les atomes de sodium une couleur jaune-orange que vous avez peut-être déjà vue dans les anciens lampadaires. Ces émissions sont « autorisées » par les règles de la mécanique quantique, ce qui signifie qu’elles se produisent très rapidement.
Lorsqu’un atome de sodium se trouve dans un état d’excitation, il n’y reste qu’environ 17 milliardièmes de seconde avant d’émettre un photon jaune-orange.
Or, dans les aurores, de nombreux atomes d’oxygène sont créés dans des états d’excitation et n’ont aucun moyen « autorisé » de se détendre en émettant de la lumière. Néanmoins, la nature trouve un moyen.
La lumière verte qui domine les aurores est émise par des atomes d’oxygène qui passent d’un état appelé « ¹S » à un état appelé « ¹D ». Il s’agit d’un processus relativement lent, qui dure en moyenne près d’une seconde entière.
En fait, cette transition est si lente qu’elle ne se produit généralement pas à la pression atmosphérique que nous observons au niveau du sol, car l’atome excité aura perdu de l’énergie en se heurtant à un autre atome avant d’avoir eu le temps d’envoyer un joli photon vert. Mais dans les couches supérieures de l’atmosphère, où la pression atmosphérique est plus faible et où il y a donc moins de molécules d’oxygène, les atomes ont plus de temps avant de se heurter les uns aux autres et ont donc une chance de libérer un photon.
C’est pourquoi les scientifiques ont mis longtemps à comprendre que la lumière verte des aurores provenait d’atomes d’oxygène. La lueur jaune-orange du sodium était connue depuis les années 1860, mais ce n’est que dans les années 1920 que des scientifiques canadiens ont compris que le vert de l’aurore était dû à l’oxygène.
Qu’est-ce qui produit la lumière rouge ?
La lumière verte provient d’une transition dite « interdite », qui se produit lorsqu’un électron de l’atome d’oxygène effectue un saut improbable d’une orbitale à une autre. (Les transitions interdites sont beaucoup moins probables que les transitions autorisées, ce qui signifie qu’elles prennent plus de temps à se produire).
Cependant, même après avoir émis ce photon vert, l’atome d’oxygène se retrouve dans un autre état excité sans relaxation autorisée. Le seul moyen de s’échapper est de passer par une autre transition interdite, de l’état ¹D à l’état ³P, qui émet de la lumière rouge.
Cette transition est encore plus interdite, pour ainsi dire, et l’état ¹D doit survivre pendant environ deux minutes avant de pouvoir enfin enfreindre les règles et émettre de la lumière rouge. En raison de ce délai, la lumière rouge n’apparaît qu’à haute altitude, où les collisions avec d’autres atomes et molécules sont rares.
En outre, comme il y a très peu d’oxygène là-haut, la lumière rouge n’apparaît que dans les aurores intenses, comme celles que nous venons de vivre.
C’est pourquoi la lumière rouge apparaît au-dessus de la lumière verte. Bien qu’elles proviennent toutes deux de relaxations interdites d’atomes d’oxygène, la lumière rouge est émise beaucoup plus lentement et a plus de chances d’être éteinte par des collisions avec d’autres atomes à des altitudes plus basses.
Autres couleurs et pourquoi les appareils photo les voient mieux
Si le vert est la couleur la plus fréquente dans les aurores, et le rouge la deuxième, il existe également d’autres couleurs. En particulier, les molécules d’azote ionisées (N₂⁺, auxquelles il manque un électron et qui ont une charge électrique positive) peuvent émettre de la lumière bleue et rouge. Cela peut produire une teinte magenta à basse altitude.
Toutes ces couleurs sont visibles à l’œil nu si l’aurore est suffisamment brillante. Cependant, elles apparaissent avec plus d’intensité dans l’objectif de l’appareil photo.
Il y a deux raisons à cela. Tout d’abord, les appareils photo bénéficient d’une longue exposition, ce qui signifie qu’ils peuvent collecter la lumière plus longtemps que nos yeux pour produire une image. Ils peuvent donc prendre une photo dans des conditions de faible luminosité.
D’autre part, les capteurs de couleur de nos yeux ne fonctionnent pas très bien dans l’obscurité ; nous avons donc tendance à voir en noir et blanc dans des conditions de faible luminosité. Les appareils photo n’ont pas cette limitation.
Il n’y a pas lieu de s’inquiéter. Lorsque l’aurore est suffisamment lumineuse, les couleurs sont clairement visibles à l’œil nu.
Timothy Schmidt, professeur de chimie, UNSW Sydney
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.
