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Qu’est-ce que l’ionosphère? (Et qui est Steve?)

Une couche dense de molécules et de particules chargées électriquement, appelée ionosphère, est suspendue dans la haute atmosphère de la Terre à environ 60 kilomètres au-dessus de la surface de la planète et s’étendant au-delà de 1000 kilomètres. Le rayonnement solaire provenant du dessus des buffets de particules en suspension dans la couche atmosphérique. Les signaux radio du dessous rebondissent de l’ionosphère vers les instruments au sol. Là où l’ionosphère chevauche les champs magnétiques, le ciel éclate dans des affichages lumineux brillants qui sont incroyables à voir.

Où est l’ionosphère?

Plusieurs couches distinctes constituent l’atmosphère terrestre, y compris la mésosphère, qui commence à 50 km, et la thermosphère, qui commence à 85 km. L’ionosphère se compose de trois sections dans la mésosphère et la thermosphère, étiquetées les couches D, E et F, selon le Centre UCAR pour l’enseignement des sciences.

Le rayonnement ultraviolet extrême et les rayons X du soleil bombardent ces régions supérieures de l’atmosphère, frappant les atomes et les molécules contenus dans ces couches. Ce puissant rayonnement déloge les électrons chargés négativement des particules, modifiant la charge électrique de ces particules. Le nuage résultant d’électrons libres et de particules chargées, appelées ions, a conduit au nom «ionosphère». Le gaz ionisé, ou plasma, se mélange à l’atmosphère neutre plus dense.

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La concentration d’ions dans l’ionosphère varie avec la quantité de rayonnement solaire sur la Terre. L’ionosphère devient dense avec des particules chargées pendant la journée, mais cette densité diminue la nuit lorsque les particules chargées se recombinent avec les électrons déplacés. Des couches entières de l’ionosphère apparaissent et disparaissent au cours de ce cycle quotidien, selon la NASA. Le rayonnement solaire fluctue également sur une période de 11 ans, ce qui signifie que le soleil peut émettre plus ou moins de rayonnement selon l’année.

Des éruptions solaires explosives et des rafales de vent solaire provoquent des changements soudains dans l’ionosphère, faisant équipe avec des vents de haute altitude et des systèmes météorologiques violents se préparant sur la Terre ci-dessous.

L’ionosphère de la Terre, une région de particules chargées, s’étend jusqu’à la frontière entre la Terre et l’espace. (Crédit d’image: ICON / NASA)

Illumine le ciel

La surface brûlante du soleil expulse des flux de particules hautement chargées, et ces flux sont connus sous le nom de vent solaire. Selon le Marshall Space Flight Center de la NASA, le vent solaire traverse l’espace à environ 40 km par seconde. En atteignant le champ magnétique terrestre et l’ionosphère ci-dessous, les vents solaires ont déclenché une réaction chimique colorée dans le ciel nocturne appelée aurore.

Lorsque les vents solaires traversent la Terre, la planète reste protégée derrière son champ magnétique, également connu sous le nom de magnétosphère. Générée par le barattage du fer fondu dans le noyau terrestre, la magnétosphère envoie le rayonnement solaire se diriger vers l’un ou l’autre des pôles. Là, les particules chargées entrent en collision avec des produits chimiques tourbillonnant dans l’ionosphère, générant des aurores envoûtantes.

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Les scientifiques ont découvert que le propre champ magnétique du soleil écrase le plus faible de la Terre, déplaçant les aurores vers le côté nuit de la planète, comme le rapporte Popular Mechanics.

Près des cercles arctique et antarctique, des aurores boréales traversent le ciel chaque nuit, selon National Geographic. Les rideaux colorés de lumière, connus respectivement sous le nom d’aurore boréale et d’aurore australe, pendent à environ 1000 km au-dessus de la surface de la Terre. Les aurores brillent en vert-jaune lorsque les ions frappent les particules d’oxygène dans la basse ionosphère. La lumière rougeâtre fleurit souvent le long des bords des aurores, et les violets et les bleus apparaissent également dans le ciel nocturne, bien que cela se produise rarement.

« La cause des aurores boréales est quelque peu connue, mais elle n’est pas entièrement résolue », a déclaré Toshi Nishimura, géophysicien à l’Université de Boston. « Par exemple, ce qui cause un type particulier de couleur d’aurore, comme le violet, reste un mystère. »

Qui est Steve?

Au-delà des aurores boréales, l’ionosphère accueille également d’autres spectacles de lumière impressionnants.

En 2016, des scientifiques citoyens ont repéré un phénomène particulièrement accrocheur que les scientifiques ont eu du mal à expliquer, a précédemment rapporté 45secondes.fr. Des rivières lumineuses de lumière blanche et rosâtre ont coulé sur le Canada, qui est plus au sud que la plupart des aurores boréales n’apparaissent. Parfois, des touches de vert rejoignaient le mélange. Les lumières mystérieuses ont été nommées Steve en hommage au film d’animation « Over the Hedge » et ont ensuite été rebaptisées « Strong Thermal Emission Velocity Enhancement » – toujours STEVE pour faire court.

«Nous étudions les aurores boréales depuis des centaines d’années, et nous ne pouvions pas, et ne pouvons toujours pas, expliquer ce qu’est Steve», a déclaré Gareth Perry, spécialiste de la météorologie spatiale au New Jersey Institute of Technology. « C’est intéressant parce que ses émissions et ses propriétés ne ressemblent à rien d’autre que nous observons, du moins avec l’optique, dans l’ionosphère. »

Selon une étude de 2019 de la revue Geophysical Research Letters, les stries vertes au sein de STEVE peuvent se développer de la même manière que les aurores traditionnelles, lorsque des particules chargées pleuvent sur l’atmosphère. Dans STEVE, cependant, le fleuve de lumière semble briller lorsque des particules dans l’ionosphère se heurtent et génèrent de la chaleur entre elles.

STEVE, vu ici à Washington en mai 2016 n'est pas une aurore, mais tout autre chose, selon une nouvelle étude.

Cette photographie d’astronome amateur, prise le 8 mai 2016 à Keller, Washington, a été utilisée dans la nouvelle recherche sur le phénomène céleste appelé STEVE. Les principales structures sont deux bandes d’émissions atmosphériques supérieures situées à 160 kilomètres au-dessus du sol: un arc rougeâtre et une clôture verte. (Crédit d’image: Rocky Raybell)

Communication et navigation

Bien que les réactions dans l’ionosphère peignent le ciel avec des teintes brillantes, elles peuvent également perturber les signaux radio, interférer avec les systèmes de navigation et parfois provoquer des pannes d’électricité généralisées.

L’ionosphère reflète les transmissions radio en dessous de 10 mégahertz, permettant aux militaires, aux compagnies aériennes et aux scientifiques de relier les systèmes radar et de communication sur de longues distances. Ces systèmes fonctionnent mieux lorsque l’ionosphère est lisse, comme un miroir, mais ils peuvent être perturbés par des irrégularités dans le plasma. Les transmissions GPS traversent l’ionosphère et portent donc les mêmes vulnérabilités.

« Lors de grandes tempêtes géomagnétiques ou d’événements météorologiques spatiaux, les courants [in the ionosphere] peut induire d’autres courants dans le sol, les réseaux électriques, les pipelines, etc. et faire des ravages », a déclaré Perry. Une telle tempête solaire a provoqué la fameuse panne d’électricité au Québec de 1989.« Trente ans plus tard, nos systèmes électriques sont toujours vulnérables à de tels événements. « 

Les scientifiques étudient l’ionosphère à l’aide de radars, de caméras, d’instruments satellitaires et de modèles informatiques pour mieux comprendre la dynamique physique et chimique de la région. Forts de ces connaissances, ils espèrent mieux prévoir les perturbations dans l’ionosphère et prévenir les problèmes que peuvent causer sur le sol en contrebas.

Ressources additionnelles:

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