Le mystère des aurores boréales // The mystery of northern lights

Cette note n’a pas pour sujet les volcans ou les glaciers mais les aurores boréales – aurora borealis – un phénomène qui fascine ceux qui visitent l’Arctique ou l’Antarctique où l’on peut observer les glaciers et les calottes glaciaires.

On peut lire sur l’excellent site Web The Watchers qu’une nouvelle étude conduite par des scientifiques de l’Institut de recherche environnementale Espace-Terre de l’Université de Nagoya (Japon) a révélé un mécanisme inconnu de la magnétosphère dans lequel les électrons en provenance du Soleil sont propulsés par une énergie électrique plus puissante qu’on ne le pensait jusqu’à présent.

La formation des aurores boréales et australes commence lorsque du plasma est propulsé à très grande vitesse dans l’espace par le Soleil sous forme de particules chargées. Lorsque ces particules se rapprochent de la Terre, elles sont déviées et canalisées, et vont circuler le long des lignes de champ magnétique pour finalement se diriger vers les pôles. La plupart des électrons de la magnétosphère n’atteignent pas l’ionosphère (haute atmosphère) car ils sont repoussés par le champ magnétique terrestre.

Certaines particules accélèrent leur course dans la haute atmosphère terrestre où elles entrent en collision avec des atomes d’oxygène et d’azote qu’elles excitent à une altitude d’environ 100 km. Lorsque les atomes se défont de leur état d’excitation, ils produisent des aurores boréales.

Cependant, de nombreux détails sur ce processus sont encore mystérieux. Par exemple, on ne connaît pas avec précision la manière dont est généré le champ électrique qui accélère les électrons dans l’ionosphère, ni même sa hauteur au-dessus de la Terre. Les scientifiques pensaient jusqu’à présent que l’accélération se produisait à des altitudes comprises entre 1 000 et 20 000 km au-dessus de la Terre. La nouvelle étude montre que la zone d’accélération s’étend au-delà de 30 000 km. Elle montre aussi que le champ électrique qui accélère les particules aurorales peut exister à n’importe quelle hauteur le long d’une ligne de champ magnétique et n’est pas limité à la région de transition entre l’ionosphère et la magnétosphère à plusieurs milliers de kilomètres. Cela laisse supposer que des mécanismes magnétosphériques inconnus entrent en jeu.

L’équipe scientifique a étudié aux États-Unis et au Canada les données d’imageurs fournies par le détecteur d’électrons du satellite japonais Arase. Les données ont été collectées à partir de septembre 2017, au moment où Arase se trouvait à une altitude d’environ 30000 km et dans un mince arc auroral actif pendant quelques minutes.

Les chercheurs ont pu mesurer les mouvements ascendants et descendants des électrons et des photons, ce qui a révélé que la zone d’accélération des électrons commençait au-dessus du satellite et s’étendait en dessous.

Afin d’approfondir l’étude de la zone d’accélération à haute altitude, le prochain objectif de l’équipe scientifique sera d’analyser les données fournies par plusieurs événements d’aurores boréales, de comparer les observations de haute et de basse altitude et de réaliser des simulations numériques du potentiel électrique.

Les chercheurs expliquent que si l’on comprend comment se forme ce champ électrique, on comblera les lacunes dans la compréhension de la formation des aurores et dans le transport d’électrons sur Terre et d’autres planètes comme Jupiter et Saturne.

Référence :  « Active auroral arc powered by accelerated electrons from very high altitudes » – Imajo, S., et al. – Scientific Reports.

Source: The Watchers.

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This post is not about volcanoes or glaciers but about Northern Lights – aurora borealis – a phenomenon that fascinates those who visit the Arctic or the Antarctic where glaciers and ice sheets can be observed.

We can read on the excellent website The Watchers that new research by scientists at Nagoya University’s Institute for Space-Earth Environmental Research has revealed an unknown mechanism of the magnetosphere in which electrons from the Sun are propelled by electrical energy higher than previously thought, ultimately creating displays of northern and southern lights.

The formation of auroras starts with supersonic plasma propelled from the Sun as high-speed, charged particles into space. When these particles get near Earth, they are deflected and funneled in streams along the magnetic field lines, flowing towards the poles eventually.

Most electrons in the magnetosphere don’t reach the ionosphere (upper atmosphere) because they are repelled by the Earth’s magnetic field.

Some particles are accelerated into the Earth’s upper atmosphere, where they collide with and excite oxygen and nitrogen atoms at an altitude of roughly 100 km. When the atoms relax from their state of excitation, they emit the auroras. However, many details about this process are still unknown. For instance, we don’t know all the details of how the electric field that accelerates electrons into the ionosphere is generated or even how high above Earth it is.

Scientists previously believed that acceleration happened at altitudes between 1 000 and 20 000 km above the Earth. The new research reveals that the acceleration region spreads beyond 30 000 km. It shows that the electric field that accelerates auroral particles can exist at any height along a magnetic field line and is not limited to the transition region between the ionosphere and magnetosphere at several thousand kilometres. This suggests that unknown magnetospheric mechanisms are at play.

The scientific team studied data from ground-based imagers in the U.S. and Canada from the electron detector on the Japanese satellite, Arase. The data was taken from September 2017, when Arase was at an altitude of about 30 000 km and located within a thin active auroral arc for a few minutes.

The researchers were able to measure the upward and downward movements of electrons and photons, eventually finding the acceleration region of electrons began above the satellite and extended below.

To further investigate the high-altitude acceleration region, the team’s next goal is to analyze data from multiple aurora events, compare observations of high and low altitudes, and conduct numerical simulations of electric potential.

The researchers explain that understanding how this electric field forms will fill in gaps for understanding aurora emission and electron transport on Earth and other planets, including Jupiter and Saturn.

Reference

« Active auroral arc powered by accelerated electrons from very high altitudes » – Imajo, S., et al. – Scientific Reports.

Source: The Watchers.

Photo : C. Grandpey

La beauté du ciel arctique // The beauty of the Arctic sky

Des nuages iridescents – ou ​​irisés – très spectaculaires peuvent  être observés au-dessus des régions arctiques comme l’Islande ou la Norvège. Quand ils apparaissent, le ciel se pare de couleurs arc-en-ciel, surtout au moment du lever du soleil.
Les nuages iridescents se forment dans la stratosphère, à une altitude de 15 à 30 km. Ils sont plus fréquents au milieu de l’hiver, au crépuscule ou à l’aube. Ils apparaissent lorsque les conditions sont inhabituellement froides dans la stratosphère. La lumière du soleil qui traverse le nuage est diffractée par de petites gouttelettes d’eau ou de petits cristaux de glace contenus dans le nuage. Les couleurs ressemblent à celles que l’on voit dans les bulles de savon et l’huile sur une surface d’eau. La luminosité des couleurs augmente avec le nombre de gouttelettes dans le nuage et l’uniformité de leur taille. Ainsi, des gouttelettes uniformément petites produisent le meilleur effet visuel ; c’est pourquoi les altostratus ou altocumulus récemment formés offrent les meilleures conditions pour l’irisation. Les nuages iridescents ​​peuvent se former dans n’importe quelle partie du monde, mais ils apparaissent le plus souvent en hiver au-dessus des montagnes.

Source : Iceland Review.

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Les aurores boréales – aurora borealis ou aurora australis – sont des spectacles lumineux offerts pat le ciel de notre planète, principalement dans les régions de haute latitude, autour de l’Arctique et de l’Antarctique. Malheureusement, l’activité solaire étant très faible en 2020, les aurores se font rares.
Les aurores sont le résultat de perturbations causées par le vent solaire dans la magnétosphère. Ces perturbations sont parfois suffisamment fortes pour modifier la trajectoire des particules chargées dans le vent solaire et le plasma magnétosphérique. Ces particules, principalement des électrons et des protons, précipitent dans la haute atmosphère.
L’ionisation et l’excitation des constituants atmosphériques qui en résultent émettent une lumière de couleur et de complexité variables. La forme de l’aurore, qui apparaît sous forme de bandes ou draperies dans les deux régions polaires, dépend également de la quantité d’accélération conférée aux particules.
Une accélération ultra rapide des particules chargées pendant une aurore boréale peut perturber les communications électroniques, le GPS, déplacer les satellites hors de leur orbite, mettre les astronautes en danger et même faire sauter les réseaux électriques.

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Un étudiant en physique de la NASA à l’Université Pepperdine en Californie a découvert un nouveau type d’aurore lors de l’analyse de photos prises au sol par des caméras installées au Svalbard (Norvège) près du cercle polaire.
Ce nouveau type d’aurore a été de courte durée et avait une forme spiralée inhabituelle qui a attiré l’attention du chercheur. Les physiciens pensent que le phénomène a pu être déclenché par une tempête exceptionnelle dans la zone où le champ magnétique terrestre rencontre les particules en provenance du Soleil.
Selon l’étudiant en physique, le bord de la magnétosphère s’est déplacé vers la surface de la planète de 25 000 km en moins de deux minutes lorsque cette certaine aurore a eu lieu; c’est plus de quatre fois le rayon de la Terre.

Source : The Watchers.

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Spectacular iridescent clouds can be seen above northern regions of the world like Iceland or Norway.  When they appear, the sky fills with rainbow colours, especially when the sun starts coming up.

Iridescent clouds form in the stratosphere, at an elevation of 15-30 km. They are most common in mid-winter, at dusk or dawn. They form when conditions are unusually cold in the stratosphere and are made of small ice crystals or small water droplets. Sunlight passing through the cloud is diffracted by small water droplets or small ice crystals in the cloud. The colours resemble those seen in soap bubbles and oil on a water surface. The brightness of the colours increases with the number of droplets in the cloud and the uniformity of their size. Uniformly small droplets produce the best visual effect, which is why newly formed altostratus or altocumulus clouds provide the best conditions for iridescence. Iridescent clouds can form in any part of the world, but most commonly appear in winter over mountains.

Source: Iceland Review.

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Auroras, also called northern lights (aurora borealis), or southern lights (aurora australis), are natural light displays in the Earth’s sky, predominantly seen in the high-latitude regions, around the Arctic and Antarctic. Unfortunately, solar activity is very low in 2020 and northern lights are rare.

Auroras are the result of disturbances in the magnetosphere caused by solar wind. These disturbances are sometimes strong enough to alter the trajectories of charged particles in both solar wind and magnetospheric plasma. These particles, mainly electrons and protons, precipitate into the upper atmosphere.

The resulting ionization and excitation of atmospheric constituents emit light of varying colour and complexity. The form of the aurora, occurring within bands around both polar regions, is also dependent on the amount of acceleration imparted to the precipitating particles.

The rapid dash of charged particles during an aurora borealis can cause disruption on electronic communications, GPS, move satellites out of orbit, put astronauts at risk, and even eradicate power grids if the explosion is massive enough.

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A NASA physics student at Pepperdine University in California has discovered a new type of aurora while analysing photos from ground-based, all-sky cameras mounted in Svalbard, Norway, near the Arctic Circle.

The newly found type of aurora was short-lived and had a rare spiral that caught the researcher’s attention. Physicists believe it may have been triggered by an unprecedented storm in the area where Earth’s magnetic field meets particles from the Sun.

According to the physics student, the edge of the magnetosphere moved toward the planet’s surface by 25 000 km in less than two minutes when this certain aurora took place; it was over four times the Earth’s radius.

Source : The Watchers .

 Exemple de nuages iridescents en Islande (Source : Iceland Review)

Aurore boréale en Alaska (Photo: C. Grandpey)

Le nouveau type d’aurore (Source : The Watchers)

Io et les aurores de Jupiter // Io and Jupiter’s auroras

drapeau francaisIo, la lune volcanique de Jupiter, est apparemment responsable des spectaculaires éclats de lumière qui illuminent les aurores bleues de la planète.

Aurore-Jupiter

(Source:  NASA)

Les aurores apparaissent lorsque des particules chargées électriquement entrent en collision avec l’atmosphère d’une planète où elles excitent les gaz et font naître les superbes lueurs que l’on sait. Le soleil est la source des particules qui produisent les aurores sur Terre.
Les aurores de Jupiter, qui sont déclenchés par des particules provenant des lunes de la planète ainsi que du soleil, développent des milliers de fois plus d’énergie que celles sur Terre. Elles sont constantes, mais elles montrent parfois une intensité incroyable. La cause de ce phénomène ne serait pas une éruption solaire, mais l’activité volcanique sur Io.
Depuis le mois de janvier 2014, un télescope à bord du satellite Hisaki de la Japan Aerospace Exploration Agency a observé Jupiter pendant deux mois. Dans le même temps, le télescope spatial Hubble de la NASA a également observé Jupiter pendant une heure chaque jour pendant deux semaines. Les deux engins ont enregistré des éclats de lumière aléatoires au sein des aurores polaires de la planète.
Ces éclats de lumière ont eu lieu les jours où le flux de particules chargées en provenance du soleil était relativement faible. Les chercheurs en ont conclu qu’ils étaient probablement le résultat d’interactions complexes entre Jupiter et Io, et peut-être les trois autres lunes de Jupiter – Callisto, Ganymède et Europa.
Io, la lune la plus proche de Jupiter, est entraînée dans l’attraction gravitationnelle entre Jupiter et les deux autres grandes lunes, Europe et Ganymède. Le phénomène génère une chaleur interne, processus qui, à son tour, conditionne l’activité d’une série de volcans sur Io. Quand ces volcans entrent en éruption, ils envoient dans l’espace de grandes quantités d’électrons et d’atomes chargés électriquement.
Le champ magnétique de Jupiter attire ces particules chargées au cours de son passage à côté de Io et il forme une région annulaire de plasma à la densité relativement élevée autour de Jupiter. Cette magnétosphère est si vaste qu’elle englobe toutes les lunes de Jupiter et se prolonge jusque vers Saturne. Au fil du temps, les particules présentes dans la magnétosphère interagissent avec l’atmosphère de Jupiter, donnant naissance à la belle lueur qui encercle le pôle nord de cette dernière.
C’est ainsi que Io contribue à sa façon aux aurores de Jupiter. Mais la lune provoque aussi, semble-t-il, des éclats de lumière dans les aurores boréales. Ils se produisent lorsque des particules chargées pénètrent directement vers l’atmosphère de Jupiter; ces particules chargées continuent à se déplacer à travers la magnétosphère, mais elles ne sont pas déviées en cours de route.
Source: Space.com

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drapeau anglaisJupiter’s volcanic moon Io is apparently responsible for the dramatic brightenings of the planet’s blue auroras (see picture above).

Auroras are generated when electrically charged particles collide with a planet’s atmosphere, where they excite gases and cause them to glow. The sun is the source of the particles that produce Earth’s auroras.

Jupiter’s auroras, which are sparked by particles from the planet’s moons as well as the sun, are thousands of times more energetic than Earth’s. They’re also constant, but every once in a while they grow to an incredible intensity. It might be the result not of a solar flare but of volcanic activity on Io.

Starting in January 2014, a telescope aboard the Japan Aerospace Exploration Agency’s Hisaki satellite focused on Jupiter for two months. At the same time, NASA’s Hubble Space Telescope also focused on Jupiter for an hour each day for two weeks. Both observatories recorded random brightenings of the planet’s polar auroras.

These flare-ups occurred on days when the sun’s flow of charged particles was relatively weak. So the researchers conclude that they must be the result of the complex interactions between Jupiter and Io, and perhaps the other three moons of Jupiter – Callisto, Ganymede and Europa.

Io, Jupiter’s closest moon, gets caught in this gravitational tug of war between Jupiter and the two other large moons, Europa and Ganymede. The phenomenon drives internal heat, a process which, in turn, drives a series of active volcanoes on Io. And when those volcanoes erupt, they blast large amounts of electrons and electrically charged atoms into space.

Jupiter’s magnetic field catches these charged particles as it sweeps past Io and forms a donut-shaped region of relatively high-density plasma around Jupiter. This magnetosphere is so large that it encapsulates all of Jupiter’s moons and extends nearly as far as Saturn. Over time, the particles in the magnetosphere interact with Jupiter’s atmosphere, creating the beautiful glow circling Jupiter’s north pole.

This is one way Io contributes to Jupiter’s auroras. But the moon also apparently causes flare-ups in the auroras. They occur when charged particles flow directly toward Jupiter’s atmosphere; these charged particles still travel through the magnetosphere, but they don’t get sidetracked along the way.

Source : Space.com