Si vous voyez les aurores boréales au-dessus de votre tête, il y a de fortes chances que vous soyez dans un climat polaire froid. Mais les délices du temps froid – également connus sous le nom d’aurores boréales – au-dessus de vous sont en fait une source importante de chaleur. Une nouvelle mission de la NASA espère survoler une aurore active pour étudier de près ce processus d’échange d’énergie. La fenêtre de lancement du couplage ionique neutre lors de la mission Active Aurora, ou INCAA, s’ouvre au Poker Flat Research Range à Poker Flat, en Alaska, le 23 mars.
En tant que résidents de la troposphère, la couche atmosphérique la plus basse de la Terre, nous sommes habitués à un air composé de particules neutres. L’oxygène et l’azote que nous respirons sont des atomes et des molécules magnétiquement équilibrés avec tous leurs électrons pris en compte. Mais à des centaines de kilomètres au-dessus de nous, notre air commence à changer fondamentalement de caractère. Stimulés par les rayons non filtrés du soleil, les électrons sont extraits de leurs atomes, qui prennent alors une charge positive. Un gaz autrefois neutre se transforme en un état de matière électriquement réactif appelé plasma.
Il n’y a pas de coupure brutale là où le gaz neutre se termine et le plasma commence. Au lieu de cela, il existe une couche limite étendue où les deux populations se mélangent. Les vents quotidiens et les perturbations magnétiques envoient les deux populations de particules dans des directions différentes, se heurtant parfois et créant ainsi une physique intéressante.
« La friction est une excellente analogie », a déclaré Stephen Kaeppler, professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’Université Clemson en Caroline du Sud et chercheur principal de la mission INCAA. « Nous savons tous que nous nous frottons les mains, vous allez avoir de la chaleur. C’est la même idée de base, sauf que nous avons plutôt affaire à des gaz maintenant. »
Cette couche limite, où l’atmosphère neutre et le plasma se rencontrent, subit des frottements constants. Mais les aurores actives augmentent tout d’un cran.
Les aurores se forment lorsque des électrons de l’espace proche de la Terre se déversent soudainement dans notre atmosphère. Ils finissent par entrer en collision avec des particules neutres, les enflammant.
Une animation conceptuelle montrant des électrons voyageant le long des lignes de champ magnétique de la Terre, entrant en collision avec des particules dans l’atmosphère terrestre pour déclencher l’aurore. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA/CILab/Bailee DesRocher
« C’est comme prendre d’assaut le terrain de football après un match universitaire », a déclaré Kaeppler. « Les gens au sommet du stade courent vers le terrain, et à mesure que vous vous rapprochez du terrain, la foule devient de plus en plus épaisse. C’est comme ça pour les électrons face à la densité neutre croissante de la haute atmosphère. »
Plongeant à travers l’atmosphère encombrée, ces électrons entrent en collision avec des atomes neutres, générant de la friction et de la chaleur dans l’aurore. Mais ils remuent également la couche limite plus large, améliorant le mélange et la friction à plus grande échelle. Comprendre comment les aurores influencent la couche limite est essentiel pour comprendre la quantité d’énergie qu’elles libèrent finalement dans notre haute atmosphère.
À cette fin, Kaeppler et son équipe lancent INCAA, dans l’espoir de survoler une aurore et de mesurer comment elle modifie cette couche limite où le plasma rencontre le gaz neutre.
INCAA est composé de deux charges utiles, chacune montée sur une fusée-sonde distincte. Les fusées-sondes sont de petits lanceurs conçus pour monter dans l’espace pour quelques minutes de mesures avant de retomber sur Terre. Les fusées-sondes sont idéales pour étudier des phénomènes brefs et transitoires comme les aurores, qui peuvent se former à un endroit puis disparaître en quelques minutes.
L’équipe attendra à la rampe de lancement jusqu’à ce qu’une aurore soit au-dessus, puis lancera les deux fusées en succession rapide. En montant, la première fusée libérera des traceurs de vapeur, des produits chimiques colorés similaires à ceux utilisés dans les feux d’artifice, avant d’atteindre son altitude maximale d’environ 186 milles. Les traceurs de vapeur créent des nuages visibles que les chercheurs peuvent voir depuis le sol, traçant les vents dans l’atmosphère neutre, comme si on laissait tomber un colorant alimentaire dans un évier rempli d’eau pour voir comment l’eau se déplace. La deuxième fusée sera lancée peu de temps après, atteignant environ 125 miles d’altitude pour mesurer la température et la densité du plasma dans et autour de l’aurore.
Ce que les données montreront est une supposition, mais Kaeppler espère apprendre comment l’aurore déplace cette couche limite où l’air électrifié rencontre le neutre. Il pourrait le pousser plus loin vers le sol, le soulever plus haut ou peut-être le faire se replier sur lui-même. Chacune de ces possibilités influence la façon dont notre planète échange de l’énergie avec l’espace qui l’entoure, mais tout dépend des détails. « Tous ces facteurs en font un problème de physique intéressant à examiner », a déclaré Kaeppler.