vignette|Aurore boréale en Norvège. vignette|Aurore australe depuis la navette Discovery. vignette|Aurore boréale aux Coteaux (Québec).
L’aurore polaire, également appelée « aurore boréale » dans l'hémisphère nord et « aurore australe » dans l'hémisphère sud., est un phénomène lumineux atmosphérique caractérisé par des voiles extrêmement colorés dans le ciel nocturne, le vert étant prédominant aux latitudes proches des pôles.
Provoquées par l'interaction entre les particules chargées du vent solaire et la haute atmosphère, les aurores se produisent principalement dans les régions proches des pôles magnétiques, dans une zone annulaire justement appelée « zone aurorale » (entre 65 et 75° de latitude)..
En cas d'activité magnétique solaire intense, l'arc auroral s'étend et commence à envahir des zones beaucoup plus proches de l'équateur.
Légendes et études scientifiques vignette|Illustration d'une aurore polaire au cours d'une expédition scientifique en Scandinavie vers le milieu du . thumb|Aurore photographiée par le satellite DMSP au-dessus du nord de l'Europe.
Les aurores boréales ont été observées depuis toujours et ont probablement beaucoup impressionné les Anciens ; dans l'Antiquité, aussi bien en Occident qu'en Chine, les aurores étaient ainsi considérées comme des serpents ou des dragons dans le ciel.. Pline l'Ancien écrit :
Les aurores polaires sont associées à de nombreux mythes et légendes. L'anglais et l'allemand les désignent sous le nom de « lumières du nord » ou « lumières du sud ». Le finnois utilise le terme de , qu’on peut traduire par « queue de renard rouge » ou « feux du renard » : certains peuples Samis racontent en effet que le renard polaire, en parcourant rapidement les vastes étendues enneigées, éjecte de la poussière avec sa queue dans le ciel, ce qui crée ainsi les aurores boréales le long de son passage.. Les Inuits du Groenland surnomment les aurores aqsarniit, croyant que les âmes des morts jouent à la balle avec des crânes de morses. Une tribu du Nunavut pense à l'inverse que ce sont les morses qui jouent à la balle avec des crânes humains. Leur teinte rouge, associée au sang, est responsable du fait que les Inuits de l'Est du Groenland croient que les aurores polaires sont les âmes des enfants mort-nés.. D'autres mythologies nordiques évoquent le bifröst, la danse des esprits de certains animaux, particulièrement les saumons, les rennes, les phoques et les bélugas ; le souffle des baleines de l'océan Arctique ; le reflet du Soleil ou de la Lune sur les armures des Valkyries quand elles traversent le ciel ; des torches allumées par les esprits des morts pour accueillir au paradis les nouveaux arrivants. En Europe au Moyen Âge, les aurores polaires qui prennent des teintes rouges sont associées au sang et à la guerre. Les aurores boréales présagent une catastrophe ou sont vues comme le souffle des guerriers célestes qui racontent leurs combats dans le ciel..
Elles n'ont été étudiées scientifiquement qu'à partir du . En 1621, l'astronome français Pierre Gassendi décrit ce phénomène observé jusque dans le sud de la France et lui donne le nom daurore boréale..
Au , l'astronome britannique Edmond Halley soupçonne le champ magnétique terrestre de jouer un rôle dans la formation des aurores boréales. Henry Cavendish, en 1768, parvient à évaluer l'altitude à laquelle se produit le phénomène, mais il faudra attendre 1896 pour qu'il soit reproduit en laboratoire par Birkeland. Les travaux de Carl Størmer sur les mouvements des particules électrisées dans un champ magnétique ont facilité la compréhension du mécanisme de formation des aurores boréales.
À partir de 1957, l'exploration spatiale a permis non seulement une meilleure connaissance des aurores polaires terrestres, mais aussi l'observation de phénomènes auroraux sur les grosses planètes comme Jupiter ou Saturne.
En 1975, le programme franco-russe ARAKS parvient à créer une aurore boréale artificielle.
En 2008, le chercheur Jean Lilensten a mis au point une expérience, reprenant la terrella de Birkeland, appelée la Planeterrella, qui permet de simuler les aurores polaires..
En 2023, une étude confirme un lien mis en évidence entre le nombre d'aurores polaires, la température de la troposphère et de la stratosphère dans la zone circumpolaire et la consommation hivernale d’électricité en Finlande : Les flux de particules énergétiques apportées par le vent solaire dans l’atmosphère polaire peuvent significativement influencer le vortex polaire stratosphérique, et donc secondairement la température de la troposphère en hiver austral, notamment en Finlande où l’activité géomagnétique (indicatrice de la précipitation énergétique des particules solaires) fait baisser la température moyenne, ce qui se traduit par un besoin accru de chauffage et une hausse de la consommation d’électricité.
Cela se produit quand les vents stratosphériques équatoriaux dominants (dits vents QBO) sont orientés vers l’est.
Les prévisionnistes de l'énergie sont invités à tenir compte de cette météo spatiale, sachant que les aurores boréales sont aujourd'hui prévisibles, grâce notamment aux travaux de l'observatoire Kjell Henriksen avec le Centre universitaire du Svalbard, et à leur programme informatique SvaltrackII disponible au grand public..
Formation Une éruption solaire ou un sursaut solaire important provoque un afflux de particules chargées, éjectées par le Soleil, qui entre en collision avec le bouclier que constitue la magnétosphère provoquant ainsi un orage magnétique..
Des particules électrisées à haute énergie peuvent alors être captées et canalisées par les lignes du champ magnétique terrestre du côté nuit de la magnétosphère (la queue) et aboutir dans une zone appelée ovale auroral. Ces particules peuvent aussi faire des aller-retour entre les deux pôles magnétiques.
Ces particules excitent ou ionisent les atomes de la haute atmosphère, l'ionosphère.. L'atome excité ne peut rester dans cet état, et un électron change alors de couche, libérant au passage un peu d'énergie, en émettant un photon (particule élémentaire constitutive de la lumière visible).
Comme la nature des gaz composant l'atmosphère (oxygène, hydrogène, azote) dépend de l'altitude, ceci explique en partie les variations de teintes des nuages, draperies, rideaux, arcs, rayons… qui se déploient dans le ciel à des altitudes comprises entre 80 et . L'ionisation résultant de cet afflux de particules provoque la formation de nuages ionisés réfléchissant les ondes radio.
C'est en qu'une explication cohérente de ce phénomène a été fournie par la NASA grâce à la mission américaine THEMIS. Elles sont provoquées par des « reconnexions » entre les « cordes magnétiques» reliant la Terre au Soleil qui stockent l'énergie des vents solaires.
Couleurs vignette|Aurore boréale en Alaska. Les phénomènes auroraux prennent plusieurs teintes différentes, passant du vert au rose, au rouge et à l'indigo violet.
L'étude spectrographique de la lumière émise montre la présence de l'oxygène atomique (raie verte à entre d'altitude et doublet rouge à au-dessus de d'altitude), de l'azote et de ses composés et de l'hydrogène () lors des aurores à protons.
Aux plus basses altitudes, la couleur observée le plus fréquemment est le pourpre (altitudes de ). L'excitation des molécules, atomes et ions d'azote et d'oxygène sont à l'origine des principales couleurs. L'oxygène émet principalement du vert et du rouge, tandis que l'azote émet du bleu, du rouge et du violet. L'atmosphère a des densités en oxygène et en azote qui varient avec l'altitude, l'oxygène devenant plus dense que l'azote au-dessus de d'altitude, ce qui explique en partie la prédominance de vert dans les aurores polaires. Certaines des molécules de diazote excitées interagissent aussi avec l'oxygène, causant une émission additionnelle de vert, ce qui contribue également à la dominance de la couleur verte. L'hélium et l'hydrogène produisent des aurores boréales mauves ou bleues.. Enfin, l'énergie du vent solaire joue aussi un rôle dans les couleurs observées..
Classifications vignette|Aurore polaire de type photographiée en Finlande en octobre 2018 depuis Laitila (direction nord-ouest) et depuis Ruovesi (direction ouest). Les premiers scientifiques qui se sont intéressés aux phénomènes auroraux ont tout d'abord instauré des classifications de ceux-ci en tenant compte de la forme, de l'étendue et de l'intensité des émissions, ce qui permet une approche objective et quantitative du phénomène. Ainsi en sont-ils venus à deux types d'aurores : les formes discrètes et les formes diffuses.
Les formes discrètes ont comme caractéristique de se former en longs arcs ou en bandes. Les arcs « ondulent » de seconde en seconde, comme certains nuages changent d'apparence sous l'effet du vent. Elles prennent ainsi la forme de la magnétosphère, ce qui leur donne les apparences d'une largeur plutôt mince (de ), mais d'une longueur courbée presque infinie.
En 2018, une nouvelle forme d'aurore polaire, les , a été décrite pour la première fois, accès libre.. Ce nouveau type témoigne de phénomènes atmosphériques ayant lieu à environ d'altitude, où il est difficile d'envoyer des instruments de mesure.
Observations Aspect vignette|gauche|Accéléré d'aurores boréales en Suède et en Finlande. Les aurores boréales ou polaires recouvrent le ciel de draperies luminescentes pouvant furtivement reproduire sur leur bord toutes les couleurs du spectre. Il faut que le ciel soit clair, dégagé de préférence sans lune et dépourvu de lumières parasites.
Le spectacle est très changeant et peut débuter par la formation d'un arc (arc auroral) perpendiculaire au méridien magnétique du lieu, puis s'accompagner de rayons parfois animés d'une pulsation plus ou moins rapide () ou se déplacer plus ou moins rapidement. On observe parfois des lueurs ressemblant à un rideau ou une draperie agitée par la brise.
La luminosité peut considérablement varier, de sorte que le phénomène peut durer de quelques minutes à plusieurs heures.
Localisation et intensité Les ovales auroraux sont centrés autour des pôles magnétiques et se forment le plus souvent à une latitude géomagnétique. d'environ 60° à 75°.
Les aurores polaires peuvent être observées toute l'année, de nuit par ciel dégagé. Les aurores boréales sont plus aisément observées entre fin août et début avril. Les pays où elles sont visibles sont le Groenland, l'Alaska, l'Antarctique, le nord du Canada, l'Islande, la Scandinavie, la Finlande, la Russie, ainsi que les îles Shetland au nord du Royaume-Uni et les îles Féroé.
Dans l'hémisphère sud, les aurores australes sont plus aisément observées en hiver, d'avril à septembre. Elles sont visibles à partir de l'indice Kp 4 en Australie et en Nouvelle-Zélande. À l'indice Kp 9, elles deviennent visibles en Argentine et en Afrique du Sud.
Il est très rare d'observer des aurores à des latitudes magnétiques inférieures à 50 degrés. Cela se produit seulement pendant la période d'activité solaire maximale du cycle de 11 ans, lors des éruptions solaires les plus importantes.
L'intensité des tempêtes géomagnétiques est estimée avec l'indice Kp (0 à 9) de perturbation géomagnétique planétaire, une mesure physique associée à une échelle G (de 1 à 5) des impacts provoqués par les tempêtes géomagnétiques.
Lorsqu'une forte activité géomagnétique touche la terre, la magnétosphère est comprimée et les aurores descendent en latitude. Lorsque le Kp se situe entre 0 et 2, les aurores boréales touchent les régions les plus septentrionales, entre 3 et 5, les aurores sont visibles plus au Sud mais se montrent également plus brillantes près des pôles.
Entre 6 et 7, les aurores sont brillantes et vives dans les hautes latitudes et visibles jusque dans le Nord de l'Europe. Avec un Kp entre 8 et 9, la visibilité s'étend vers le Sud de l'Europe.