La semaine dernière (début mai 2024), une énorme éruption solaire a envoyé une vague de particules énergétiques du Soleil dans l’espace. Au cours du week-end, la vague a atteint la Terre et les gens du monde entier ont pu admirer des aurores inhabituellement vives dans les deux hémisphères.

Alors que l'aurore n'est normalement visible qu'à proximité des pôles, elle a été repérée ce week-end aussi loin au sud qu'Hawaï dans l'hémisphère nord, et aussi loin au nord que Mackay dans le Sud.

Ce pic spectaculaire d'activité aurorale semble avoir pris fin, mais ne vous inquiétez pas si vous l'avez manqué. Le Soleil approche de son apogée Cycle des taches solaires de 11 ans, et des périodes d’aurores intenses devraient revenir au cours de la prochaine année.

Si vous avez vu l'aurore ou l'une des photos, vous vous demandez peut-être ce qui se passait exactement. Qu'est-ce qui fait la lueur et les différentes couleurs ? La réponse réside dans les atomes, dans la façon dont ils s’excitent – ​​et dans la façon dont ils se détendent.

Quand les électrons rencontrent l'atmosphère

Les aurores sont causées par des particules subatomiques chargées (principalement des électrons) qui s'écrasent sur l'atmosphère terrestre. Ceux-ci sont émis par le Soleil en permanence, mais ils sont plus nombreux pendant les périodes de plus grande 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, ils peuvent se faufiler et faire des ravages.

L'atmosphère terrestre contient environ 20 % d'oxygène et 80 % d'azote, avec quelques traces d'autres éléments comme de l'eau, du dioxyde de carbone (0.04 %) et de l'argon.

Lorsque des électrons à grande vitesse percutent des molécules d’oxygène dans la haute atmosphère, ils divisent les molécules d’oxygène (O₂) en atomes individuels. La lumière ultraviolette du Soleil fait également cela, 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 boréales, les atomes d’oxygène générés sont dans un état excité. Cela signifie que les électrons des atomes sont disposés de manière instable et peuvent se « détendre » en dégageant de l'énergie sous forme de lumière.

Qu’est-ce qui donne le feu vert ?

Comme vous le voyez dans les feux d’artifice, les atomes de différents éléments produisent différentes couleurs de lumière lorsqu’ils sont alimentés.

Les atomes de cuivre donnent une lumière bleue, le baryum est vert et les atomes de sodium produisent une couleur jaune-orange que vous avez peut-être également 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 est dans un état excité, il n’y reste que pendant environ 17 milliardièmes de seconde avant d’émettre un photon jaune-orange.

Mais, dans les aurores boréales, de nombreux atomes d’oxygène sont créés dans des états excités sans aucun moyen « autorisé » de se détendre en émettant de la lumière. Néanmoins, la nature trouve un moyen.

La lumière verte qui domine l'aurore est émise par des atomes d'oxygène qui se détendent d'un état appelé « ¹S » à un état appelé « ¹D ». Il s'agit d'un processus relativement lent, qui prend en moyenne près d'une seconde entière.

En fait, cette transition est si lente qu'elle ne se produira généralement pas avec le type de pression atmosphérique que nous voyons au niveau du sol, car l'atome excité aura perdu de l'énergie en heurtant un autre atome avant d'avoir la chance d'envoyer un joli message vert. photon. Mais dans les couches supérieures de l'atmosphère, où la pression atmosphérique est plus faible et donc moins de molécules d'oxygène, elles ont plus de temps avant de se heurter et ont donc une chance de libérer un photon.

Pour cette raison, il a fallu beaucoup de temps aux scientifiques pour comprendre que la lumière verte des aurores provenait d’atomes d’oxygène. La lueur jaune-orange du sodium était connue dans les années 1860, mais ce n'est que dans les années 1920 que Scientifiques canadiens J'ai compris que le vert des aurores était dû à l'oxygène.

Qu'est-ce qui fait le feu rouge ?

Le feu vert provient d’une transition dite « interdite », qui se produit lorsqu’un électron dans l’atome d’oxygène exécute un saut improbable d’un modèle orbital à un 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. La seule évasion se fait via une autre transition interdite, de l’état ¹D à l’état ³P – qui émet une lumière rouge.

Cette transition est encore plus interdite, pour ainsi dire, et l’état ¹D doit survivre pendant environ deux minutes avant de pouvoir finalement enfreindre les règles et émettre un feu rouge. En raison du temps nécessaire, la lumière rouge n'apparaît qu'à haute altitude, où les collisions avec d'autres atomes et molécules sont rares.

De plus, comme il y a très peu d’oxygène là-haut, la lumière rouge a tendance à apparaître uniquement lors d’aurores intenses – comme celles que nous venons d’avoir.

C'est pourquoi le voyant rouge apparaît au-dessus du vert. Bien qu'ils proviennent tous 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 caméras les voient mieux

Bien que le vert soit la couleur la plus courante dans les aurores boréales et le rouge la deuxième couleur la plus courante, 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, ils apparaissent avec plus d’intensité dans l’objectif de la caméra.

Il y a deux raisons à cela. Premièrement, les appareils photo bénéficient d’une longue exposition, ce qui signifie qu’ils peuvent passer plus de temps à collecter la lumière pour produire une image que nos yeux. En conséquence, ils peuvent prendre une image dans des conditions plus sombres.

La seconde est que 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 caméras n'ont pas cette limitation.

Ne vous inquiétez pas, cependant. Lorsque l’aurore est suffisamment brillante, les couleurs sont clairement visibles à l’œil nu.

Timothée Schmidt, professeur de chimie, UNSW Sydney

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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