En collaboration avec des chercheurs spatiaux, Les photographes amateurs finlandais ont découvert une nouvelle forme aurorale. Nommées "dunes" par les amateurs, on pense que le phénomène est causé par des vagues d'atomes d'oxygène incandescentes en raison d'un flux de particules libérées par le Soleil.

Dans l'étude récemment publiée, les origines des dunes ont été suivies jusqu'à un guide d'ondes formé dans la mésosphère et ses limites, la mésopause. L'étude postule également que cette nouvelle forme aurorale offre aux chercheurs une nouvelle façon d'étudier les conditions dans la haute atmosphère.

L'étude a été publiée dans le premier numéro de la revue à fort impact AGU Avances .

Une empreinte inconnue apparaît dans le ciel

Minna Palmroth, Professeur de physique computationnelle spatiale à l'Université d'Helsinki, dirige un groupe de recherche qui développe la simulation la plus précise au monde de l'espace proche de la Terre et de la météo spatiale à l'origine des émissions aurorales.

Le soleil libère un flux constant de particules chargées, connu sous le nom de vent solaire. Atteindre la haute atmosphère ionisée de la Terre, l'ionosphère, ils créent des émissions aurorales en excitant les atomes d'oxygène et d'azote atmosphériques. L'état d'excitation est libéré sous forme de lumière aurorale.

Fin 2018, Palmroth a publié un livre intitulé « Revontulibongarin opas » (« Un guide pour les observateurs d'aurore boréale »). Le livre est né de la coopération de Palmroth avec des passionnés d'aurores boréales et des réponses qu'elle a fournies aux questions sur la physique du phénomène dans le groupe Facebook des amateurs.

Des milliers de magnifiques photographies des aurores boréales prises par des amateurs ont été étudiées et classées pour le livre. Chaque forme aurorale est comme une empreinte digitale, typique seulement d'un certain phénomène dans la zone aurorale. Lors du classement, les amateurs ont souligné qu'une certaine forme aurorale ne correspondait à aucune des catégories préexistantes. Palmroth a mis de côté ces formes inhabituelles pour un examen ultérieur.

Par une coïncidence presque incroyable, quelques jours seulement après la publication du livre, les amateurs ont revu cette forme inhabituelle et ont immédiatement informé Palmroth. La forme est apparue comme un motif de vagues teinté de vert et uniforme ressemblant à un voile rayé de nuages ​​ou de dunes sur une plage de sable.

"L'un des moments les plus mémorables de notre collaboration de recherche a été lorsque le phénomène est apparu à ce moment précis et que nous avons pu l'examiner en temps réel, " dit l'amateur d'aurores boréales et d'astronomie Matti Helin.

Des vagues nouvellement révélées par l'aurore

Des enquêtes sur le phénomène ont été lancées, avec des observations d'amateurs et des méthodes scientifiques réunies pour expliquer les vagues.

"C'était comme reconstituer un puzzle ou mener un travail de détective, " dit Helin. "Chaque jour, nous avons trouvé de nouvelles images et proposé de nouvelles idées. Finalement, nous sommes allés au fond des choses…"

Le phénomène a été photographié en même temps à Laitila et à Ruovesi, sud-ouest de la Finlande, avec le même détail observé dans l'émission aurorale dans les deux images. Maxime Grandin, chercheur postdoctoral dans l'équipe Palmroth, identifié les étoiles à l'origine de l'émission et déterminé les azimuts et les élévations des étoiles à l'aide du logiciel d'astronomie Stellarium. Cela a permis d'utiliser les étoiles comme points de référence lors du calcul de l'altitude et de l'étendue du phénomène auroral.

Grandin a découvert que les dunes aurorales se trouvent à une altitude relativement basse de 100 kilomètres, dans les parties supérieures de la mésosphère. La longueur d'onde du champ d'onde a été mesurée à 45 kilomètres.

Un total de sept événements similaires - où une caméra avait enregistré le même modèle de vagues uniformes - ont en outre été identifiés à partir du service "Taivaanvahti" ("Sky Watch") maintenu par l'Association finlandaise des astronomes amateurs, Urse.

Région inexplorée

La partie de la zone aurorale où l'atmosphère électriquement neutre de la Terre rencontre le bord de l'espace est un environnement extrêmement difficile pour les satellites et autres instruments spatiaux. Palmroth dit que c'est pourquoi c'est l'un des endroits les moins étudiés de notre planète.

« En raison des difficultés de mesure des phénomènes atmosphériques se produisant entre 80 et 120 kilomètres d'altitude, nous appelons parfois cette zone « l'ignorosphère », '" elle dit.

Les dunes ont été observées précisément dans cette région particulière de la zone aurorale. Le phénomène observé a guidé les chercheurs vers un juste milieu entre la recherche atmosphérique et la recherche spatiale, car la méthodologie habituelle de la physique spatiale ne pouvait pas l'expliquer à elle seule.

"Les différences de luminosité dans les ondes des dunes pourraient être dues soit aux ondes des particules précipitantes provenant de l'espace, ou dans les atomes d'oxygène atmosphérique sous-jacents, " dit Palmroth. "Nous avons fini par proposer que les dunes sont le résultat d'une augmentation de la densité des atomes d'oxygène."

Prochain, l'équipe a dû déterminer comment la variabilité de la densité des atomes d'oxygène causée par les ondes de gravité dans l'atmosphère se traduit par un champ d'ondes aussi uniforme et étendu. Normalement, à l'altitude d'étude, il existe de nombreux types d'ondes de gravité se déplaçant dans différentes directions à différentes longueurs d'onde, c'est pourquoi ils ne forment pas facilement les champs d'ondes réguliers que présentent les dunes.

Les aurores boréales illuminent un mascaret

L'étude suggère que le phénomène en question est un alésage mésosphérique, un phénomène rare et peu étudié qui se déroule dans la mésosphère. Le phénomène du mascaret est une onde commune à de nombreux cours d'eau, où la marée remonte le chenal de la rivière.

Divers types d'ondes de gravité naissent dans l'atmosphère puis s'élèvent. Dans de très rares cas, les ondes de gravité peuvent être filtrées lorsqu'elles montent entre la mésopause et une couche d'inversion qui se forme par intermittence sous la mésopause. La couche d'inversion fait fléchir les ondes filtrées et leur permet de parcourir de longues distances à travers le canal sans atténuation.

Lorsque les atomes d'oxygène dans le trou entrent en collision avec les électrons qui se précipitent dans l'atmosphère, ils deviennent excités. En libérant cette excitation, ils créent la lumière aurorale. C'est pourquoi les alésages mésosphériques - un phénomène considéré jusqu'à présent comme un sujet de recherche très difficile - peuvent parfois être observés à l'œil nu.

Les chercheurs spatiaux se concentrent sur l'atmosphère

Avant cette découverte, les forages mésosphériques n'ont pas été observés dans la zone aurorale, ils n'ont pas non plus été étudiés via les émissions aurorales.

"La zone aurorale dans son ensemble est généralement écartée dans les études centrées sur le forage, comme les émissions aurorales altèrent la technique utilisée pour identifier les alésages mésosphériques, " dit Palmroth.

Traditionnellement, les chercheurs spécialisés dans l'atmosphère et l'espace ont largement investigué leurs sujets d'intérêt indépendamment les uns des autres. En effet, il n'y a qu'une poignée de mécanismes connus d'interaction entre l'ionosphère baignant dans les électrons précipitants, et l'atmosphère neutre.

Avec l'aide d'appareils de mesure exploités par l'Institut météorologique finlandais, les dunes se sont avérées se produire simultanément et dans la même région où l'énergie électromagnétique provenant de l'espace est transférée à l'ignorosphère.

"Cela pourrait signifier que l'énergie transmise de l'espace à l'ionosphère peut être liée à la création de la couche d'inversion dans la mésosphère, " dit Palmroth. " En termes de physique, ce serait une découverte étonnante, car cela représenterait un mécanisme d'interaction nouveau et inobservé auparavant entre l'ionosphère et l'atmosphère."