Des aurores à protons inégales sur Mars se forment lorsque des conditions turbulentes autour de la planète permettent aux particules d'hydrogène chargées du Soleil de pénétrer dans l'atmosphère martienne. Les images du 5 août montrent les conditions atmosphériques typiques, dans lesquelles l'instrument EMM EMUS ne détecte aucune activité inhabituelle à deux longueurs d'onde associées à l'atome d'hydrogène. Mais les 11 et 30 août, l'instrument a observé des aurores inégales aux deux longueurs d'onde, indiquant des interactions turbulentes avec le vent solaire. Crédit :EMM/EMUS
La mission MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) de la NASA et la mission Emirates Mars (EMM) des Émirats arabes unis ont publié des observations conjointes d'événements dynamiques d'aurores boréales à protons sur Mars. Les observations aurorales à distance par EMM couplées aux observations de plasma in-situ réalisées par MAVEN ouvrent de nouvelles voies pour comprendre l'atmosphère martienne. Cette collaboration a été rendue possible par le récent partage de données entre les deux missions et met en évidence la valeur des observations multipoints dans l'espace. Une étude de ces découvertes paraît dans la revue Geophysical Research Letters .
Dans la nouvelle étude, EMM a découvert des structures à petite échelle dans les aurores boréales qui s'étendaient sur toute la journée de Mars. Les aurores à protons, découvertes par MAVEN en 2018, sont un type d'aurore martienne qui se forme lorsque le vent solaire, composé de particules chargées du Soleil, interagit avec la haute atmosphère. Les observations typiques d'aurores à protons effectuées par MAVEN et la mission Mars Express de l'ESA (l'Agence spatiale européenne) montrent que ces aurores apparaissent lisses et uniformément réparties dans l'hémisphère. En revanche, EMM a observé des aurores boréales à protons qui semblaient très dynamiques et variables. Ces "aurores protoniques inégales" se forment lorsque des conditions turbulentes autour de Mars permettent aux particules chargées d'inonder directement l'atmosphère et de briller à mesure qu'elles ralentissent.
"Les observations d'EMM ont suggéré que les aurores étaient si répandues et désorganisées que l'environnement de plasma autour de Mars devait être vraiment perturbé, au point que le vent solaire avait un impact direct sur la haute atmosphère partout où nous avons observé des émissions aurorales", a déclaré Mike Chaffin, un MAVEN. et scientifique EMM basé au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l'Université du Colorado à Boulder et auteur principal de l'étude.
"En combinant les observations aurorales EMM avec les mesures MAVEN de l'environnement du plasma auroral, nous pouvons confirmer cette hypothèse et déterminer que ce que nous voyions était essentiellement une carte de l'endroit où le vent solaire pleuvait sur la planète."
Normalement, il est difficile pour le vent solaire d'atteindre la haute atmosphère de Mars car il est redirigé par le choc de l'arc et les champs magnétiques entourant la planète. Les observations inégales d'aurores à protons sont donc une fenêtre sur des circonstances rares, celles au cours desquelles l'interaction Mars-vent solaire est chaotique. "L'impact total de ces conditions sur l'atmosphère martienne est inconnu, mais les observations EMM et MAVEN joueront un rôle clé dans la compréhension de ces événements énigmatiques", a déclaré Chaffin.
L'image du haut montre le mécanisme normal de formation des aurores boréales à protons découvert pour la première fois en 2018. Les lignes blanches montrent que les protons du vent solaire qui s'éloignent du Soleil sont normalement balayés autour de la planète par la magnétosphère de Mars et n'interagissent pas directement avec l'atmosphère. Lorsque des aurores à protons se produisent, une petite fraction du vent solaire entre en collision avec l'hydrogène de Mars dans la couronne étendue de la planète (représentée en bleu) et s'échange de charge en atomes d'hydrogène neutres. Ces atomes H nouvellement créés se déplacent toujours à la même vitesse et ne sont plus sensibles aux forces magnétosphériques qui redirigent les protons autour de la planète. Au lieu de cela, les atomes H énergétiques claquent directement dans la haute atmosphère de Mars et entrent en collision plusieurs fois avec l'atmosphère neutre, entraînant une émission aurorale par les atomes H incidents (violet). Parce que le vent solaire et la couronne de Mars sont uniformes sur toute la planète, les aurores se produisent partout du côté jour de la planète avec une luminosité uniforme. L'image du bas montre le mécanisme de formation récemment découvert pour les aurores à protons inégales. Les lignes vertes dans l'image du haut montrent que dans des conditions normales, le champ magnétique du vent solaire se drape bien autour de la planète. En revanche, des aurores boréales inégales se forment dans des circonstances inhabituelles lorsque le champ magnétique du vent solaire est aligné avec le flux de protons. Dans de telles conditions, la configuration typique du champ magnétique drapé est remplacée par un patchwork très variable de structures de plasma, et le vent solaire est capable d'impacter directement la haute atmosphère de la planète à des endroits spécifiques qui dépendent de la structure de la turbulence. Lorsque les protons du vent solaire entrant entrent en collision avec l'atmosphère neutre, ils peuvent être neutralisés et émettre des aurores par endroits localisés. Pendant ces périodes, des aurores boréales inégales forment une carte des endroits où le plasma du vent solaire a un impact direct sur la planète. Crédit :Emirates Mars Mission/UAE Space Agency
Le partage de données entre MAVEN et EMM a permis aux scientifiques de déterminer les moteurs de l'aurore inégale à protons. L'EMM transporte l'instrument Emirates Mars Ultraviolet Spectrograph (EMUS), qui observe la haute atmosphère et l'exosphère de la planète rouge, en analysant la variabilité de la composition atmosphérique et la fuite atmosphérique vers l'espace. MAVEN propose une suite complète d'instruments à plasma, y compris le magnétomètre (MAG), l'analyseur d'ions de vent solaire (SWIA) et l'instrument de composition d'ions suprathermiques et thermiques (STATIC) utilisé dans cette étude.
"Les observations globales d'EMM sur la haute atmosphère offrent une perspective unique sur une région essentielle à la science MAVEN", a déclaré Shannon Curry, chercheuse principale de MAVEN, du laboratoire des sciences spatiales de l'UC Berkeley. "Ces types d'observations simultanées sondent la physique fondamentale de la dynamique et de l'évolution de l'atmosphère et mettent en évidence les avantages de la collaboration scientifique internationale."
Hessa Al Matroushi, responsable scientifique de l'EMM, a accepté. "L'accès aux données MAVEN a été essentiel pour placer ces nouvelles observations EMM dans un contexte plus large", a-t-elle déclaré. "Ensemble, nous repoussons les limites de nos connaissances existantes non seulement sur Mars, mais aussi sur les interactions planétaires avec le vent solaire."
Les mesures multi-points de vue se sont déjà révélées être un atout pour la recherche sur la Terre et l'héliophysique. Sur Mars, plus d'une demi-douzaine d'orbiteurs effectuent actuellement des observations scientifiques et, avec l'hémisphère sud de Mars qui connaît actuellement l'été, lorsque les aurores boréales à protons sont connues pour être les plus actives, les observations à plusieurs points de vue seront essentielles pour comprendre comment ces événements se forment. La collaboration entre EMM et MAVEN démontre la valeur de la science de niveau découverte sur l'atmosphère martienne avec deux engins spatiaux observant simultanément la même région. Les physiciens expliquent comment se forme le type d'aurore sur Mars
