Des scientifiques identifient pour la première fois un ouragan spatial

Lorsque le Soleil propulse une masse de particules chargées dans notre direction, de somptueuses aurores boréales font leur apparition : des rubans de lumière vibrante se mettent à danser dans le ciel au niveau des pôles magnétiques nord et sud. Mais de temps à autre, une mystérieuse nuée de lumières aurorales stagne au-dessus du pôle Nord. Que sont-elles ? D'où proviennent-elles ? Difficile à dire, d'autant plus que leur apparition coïncide avec les périodes d'accalmie du Soleil.

Une équipe internationale de scientifiques a peut-être trouvé la réponse : ce phénomène pourrait être le fruit de la rotation des aurores boréales suivant une forme peu orthodoxe, une spirale rappelant celle des ouragans, d'où le nom d'ouragan spatial choisi par les chercheurs.

En parcourant la montagne de données recueillies par un satellite de la Guerre froide, les chercheurs ont identifié un sursaut d'émissions aurorales à la verticale du pôle Nord, capturé avec un niveau de détail sans précédent. Comme le décrit l'étude parue en février dans la revue Nature Communications, une aurore inhabituelle apparue en 2014 au-dessus du pôle Nord avait un centre calme, que l'on pourrait appeler œil, avec des « vents » violents de plasma (un gaz chargé électriquement) tournant autour à la manière d'un vortex. D'une durée de 8 heures environ, l'aurore mesurait plus de 1 000 kilomètres de diamètre et s'étendait de sa base à environ 100 km au-dessus du niveau de la mer jusqu'à plus de 800 km d'altitude, dans l'espace.

Les aurores aperçues avant 2014 étaient peut-être également des ouragans spatiaux. Le cas échéant, cela signifierait que l'événement de 2014 n'est pas une découverte à proprement parler. Toutefois, comme l'affirme le chercheur en physique spatiale de l'université de Bergen en Norvège Kjellmar Oksavik, « c'est bien la première fois que nous le voyons en tant qu'ouragan, tant dans sa forme que dans son comportement. »

Il subsiste encore quelques incertitudes, notamment en ce qui concerne la fréquence de ces ouragans spatiaux et la quantité d'énergie transférée dans l'atmosphère terrestre par le phénomène.

UNE CIBLE MYSTÉRIEUSE 

Ces dernières années, le chercheur Qing-He Zhang à l'université du Shandong en Chine et auteur principal de l'étude a exploré les données satellites avec ses étudiants dans le but de trouver des phénomènes intéressants dans la haute atmosphère. L'une de ces bases de données lui a été confiée par le Defense Meteorological Satellite Program, initialement lancé aux États-Unis dans les années 1960 pour suivre la météo de notre planète et aider l'armée américaine à préparer ses opérations militaires.

Comme nous l'explique Zhang, puisque des phénomènes semblables aux ouragans existent dans les nuages de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, comme la Grande Tache rouge de Jupiter, il était curieux de voir si un phénomène semblable pouvait exister dans la haute atmosphère des planètes. Et puisque la Terre est entourée de satellites, pourquoi ne pas commencer par là ?

Ce n'est pas la première fois que des satellites aperçoivent de mystérieuses aurores au-dessus du pôle nord magnétique, mais ces yeux par procuration n'avaient jamais les bonnes orbites ou l'équipement adéquat pour voir autre chose qu'une masse floue. En revanche, les satellites militaires américains ont une orbite plus proche de la Terre et transportent des instruments capables d'apercevoir clairement les aurores. Malgré cette configuration idéale pour la recherche d'ouragans spatiaux, la tâche n'en était pas moins laborieuse pour les scientifiques qui n'avaient aucune idée des conditions propices à leur apparition ou de leurs caractéristiques. « On ne savait pas quoi chercher, » résume Oksavik.

Le 20 août 2014, ce réseau de satellites a observé une aurore tourbillonnant à la verticale du pôle nord magnétique, une aurore qui ressemblait à un ouragan. Seulement voilà, à l'époque l'activité solaire ne se prêtait pas du tout à ce type de phénomène. L'alignement du vaste champ magnétique du Soleil n'était pas adapté à une aurore puissante et le vent solaire, ce flux de particules et de magnétisme propulsé à travers l'espace par le Soleil, se déplaçait lentement et manquait cruellement de particules chargées.

Dans ces conditions, comment une aurore avait-elle pu voir le jour ?

COMME UN OURAGAN 

Tout d'abord, revenons sur la formation des aurores ordinaires.

Les électrons catapultés par le Soleil descendent sur les pôles magnétiques. Ils se heurtent aux atomes et aux molécules de gaz neutre dans la haute atmosphère, ce qui les charge temporairement et génère des flashs de lumière. C'est cette lumière, blanche, rouge, violette, bleue, verte ou rouge selon la nature du gaz qui donne naissance aux aurores boréales et australes.

Les aurores boréales apparaissent dans ce qui est appelé la zone aurorale, un anneau centré sur le pôle nord magnétique qui s'étire ou se contracte suivant la réaction du champ magnétique terrestre au vent solaire supersonique et au champ magnétique du Soleil.

Cette zone est étendue lorsque le champ magnétique du Soleil pointe vers le sud alors qu'il interagit avec le côté jour du champ magnétique de la Terre, qui pointe vers le nord en tournant autour de la planète. Lors d'une tempête solaire, pendant laquelle les électrons et une partie du champ magnétique solaire se déplacent vers la Terre, les champs magnétiques du Soleil et de la Terre peuvent s'appairer, un peu comme les deux côtés opposés d'un aimant. Cet appairage crée un puissant couloir magnétique entre le Soleil et la Terre, ce qui permet aux électrons et aux ions positifs du vent solaire de se précipiter dans l'atmosphère terrestre au niveau des pôles.

Afin d'expliquer l'étrange aurore-vortex-ouragan de 2014, un spectacle de lumière étroitement resserré autour du pôle nord magnétique, l'équipe a tenté de répliquer ce que les satellites ont vu dans un modèle 3D capable de simuler le mouvement des fluides magnétiques.

À l'époque, le compas magnétique du Soleil pointait solidement vers le nord, donc l'appairage avec le champ magnétique de la Terre était extrêmement faible, c'est pourquoi la zone aurorale s'est contractée autour du pôle nord magnétique.

Malgré le vent solaire modéré ce jour-là, les électrons sont tout de même descendus dans la haute atmosphère terrestre. Avec une zone aurorale étendue, ils auraient produit des aurores peu lumineuses, mais en tombant dans une zone aussi contractée, ils ont rencontré un plus grand nombre d'atomes et de molécules de gaz, ce qui a donné lieu à une aurore de plus forte intensité.

Enfin, le vent solaire avait une composante magnétique d'est en ouest. Ce phénomène n'est pas particulièrement inhabituel, mais appliqué à une zone aurorale aussi concentrée, il a permis de la pousser, d'où le mouvement de rotation. Et l'ouragan spatial était né.

DEUX RÉALITÉS

Comme le reconnaissent les auteurs de l'étude, la comparaison avec les ouragans qui se forment en surface des océans a ses limites.

Tous deux ont un œil plus calme autour duquel la matière tourne à une vitesse ahurissante en formant des bras spiraux. « Difficile d'ignorer cette analogie, » indique Daniel Swain, climatologue au sein de l'université de Californie à Los Angeles qui n'a pas pris part à l'étude. Cependant, observe-t-il, les deux éléments sont fondamentalement différents. Pour résumer, un ouragan est une pompe à chaleur qui extrait l'énergie des océans dans les tropiques et la transfère aux pôles. Les processus physiques impliqués dans un ouragan spatial sont radicalement différents.

Le terme ouragan peut également renvoyer à un phénomène massif, féroce et destructeur, comme peuvent l'être les ouragans sur Terre. Les ouragans spatiaux présentent-ils eux aussi une menace ?

Par exemple, les communications radio et satellite qui ricochent sur l'atmosphère au-dessus du champ magnétique nord pourraient dérégler les positions GPS des explorateurs de l'Arctique. Les électrons qui retombent dans une zone concentrée pourraient suffisamment réchauffer l'atmosphère pour qu'il se dilate et gagne en altitude. Cela ralentirait les satellites traversant cette poche atmosphérique dense.

Néanmoins, il est fort probable que les conséquences soient plutôt mineures. Le véritable danger en matière de météo spatiale, ce sont les tempêtes géomagnétiques créées par des éruptions solaires nettement plus puissantes, celles capables de griller le réseau électrique du monde entier, explique Alexa Halford, chercheuse en physique spatiale externe à l'étude et rattachée au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland.

ACROBATE CÉLESTE

La chasse aux ouragans spatiaux est ouverte. Les chercheurs savent désormais à quelles conditions il leur faut prêter attention, indique Oksavik, et les algorithmes vont pouvoir analyser rapidement les ensembles de données satellites afin d'identifier de nouveaux candidats. Une fois ces ouragans débusqués, ils devraient permettre aux scientifiques de mieux comprendre leur comportement et de vérifier s'ils se produisent uniquement au dessus du pôle Nord ou se laissent volontiers apercevoir plus au sud.

Le fait que l'ouragan spatial de 2014 soit apparu pendant un faible cycle solaire suggère que le phénomène est courant, car il ne nécessite pas d'activité solaire supérieure à la moyenne. En dehors de la Terre, il pourrait survenir sur d'autres planètes disposant d'un champ magnétique, comme les géantes gazeuses ou de glaces et peut-être même sur Ganymède, une lune de Jupiter, la seule du système solaire à posséder sa propre magnétosphère.

Quoi qu'il en soit, la découverte d'un simple ouragan spatial est déjà suffisamment fascinante pour le moment. « En tant qu'humains, nous pensons connaître sur le bout des doigts l'univers, la Terre et ce qui nous entoure, » conclut Oksavik. « Jusqu'au moment où nous faisons une découverte inattendue. »

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.