Une couche dense de molécules et de particules chargées électriquement, appelée ionosphère, se bloque dans la haute atmosphère de la Terre à partir d'environ 35 miles (60 kilomètres) au-dessus de la surface de la planète et s'étendant au-delà de 620 miles (1000 km). Le rayonnement solaire provenant du dessus tamponne les particules en suspension dans la couche atmosphérique. Les signaux radio du dessous rebondissent sur l'ionosphère pour revenir aux instruments au sol. Là où l'ionosphère se chevauche avec des champs magnétiques, le ciel éclate dans des écrans lumineux brillants qui sont incroyables à voir.
Où est l'ionosphère?
Plusieurs couches distinctes composent 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.
Un rayonnement ultraviolet extrême et des rayons X du soleil bombardent ces régions supérieures de l'atmosphère, frappant les atomes et les molécules contenus dans ces couches. Le 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 et plus dense.
La concentration d'ions dans l'ionosphère varie avec la quantité de rayonnement solaire qui se propage 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 des 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, s'associant à des vents de haute altitude et à des systèmes météorologiques violents qui se préparent sur la Terre ci-dessous.
Illuminez le ciel
La surface brûlante du soleil expulse les 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 vole dans l'espace à environ 25 miles (40 km) par seconde. En atteignant le champ magnétique terrestre et l'ionosphère en dessous, les vents solaires ont déclenché une réaction chimique colorée dans le ciel nocturne appelée une aurore.
Lorsque les vents solaires fouettent la Terre, la planète reste protégée derrière son champ magnétique, également connu sous le nom de magnétosphère. Générée par le barattage du fer en fusion dans le noyau de la Terre, la magnétosphère envoie le rayonnement solaire en courant vers l'un ou l'autre pôle. Là, les particules chargées entrent en collision avec des produits chimiques tourbillonnant dans l'ionosphère, générant des aurores envoûtantes.
Les scientifiques ont découvert que le propre champ magnétique du soleil écrase le plus faible de la Terre, déplaçant les aurores vers le côté nocturne de la planète, comme l'a rapporté Popular Mechanics.
Près des cercles arctique et antarctique, des aurores traversent le ciel chaque nuit, selon National Geographic. Les rideaux de lumière colorés, connus respectivement sous le nom d'aurores boréales et d'aurores australes, pèsent à environ 620 milles (1 000 km) au-dessus de la surface de la Terre. Les aurores brillent d'un vert-jaune lorsque les ions frappent les particules d'oxygène dans la basse ionosphère. Une lumière rougeâtre fleurit souvent le long des bords des aurores, et des violets et des bleus apparaissent également dans le ciel nocturne, bien que cela se produise rarement.
"La cause des aurores 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, est toujours un mystère."
Qui est Steve?
Au-delà des aurores, 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, avait précédemment rapporté Space.com, le site sœur de Live Science. Des fleuves brillants de lumière blanche et rosâtre ont coulé au-dessus du Canada, qui est plus au sud que la plupart des aurores. Parfois, des tirets verts se sont joints au 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 l'aurore depuis des centaines d'années, et nous ne pouvions pas, et ne pouvons toujours pas, expliquer ce qu'est Steve", a déclaré Gareth Perry, scientifique en 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, au moins avec l'optique, dans l'ionosphère."
Selon une étude de 2019 dans la revue Geophysical Research Letters, les stries vertes au sein de STEVE pourraient se développer de la même manière que les aurores traditionnelles se forment, alors que les particules chargées pleuvent sur l'atmosphère. Dans STEVE, cependant, le fleuve de lumière semble briller lorsque les particules de l'ionosphère entrent en collision et génèrent de la chaleur entre elles.
Communication et navigation
Bien que les réactions dans l'ionosphère peignent le ciel de teintes brillantes, elles peuvent également perturber les signaux radio, interférer avec les systèmes de navigation et parfois provoquer des coupures de courant généralisées.
L'ionosphère reflète des transmissions radio inférieures à 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 peuvent 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 du Québec en 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 satellites et de modèles informatiques pour mieux comprendre la dynamique physique et chimique de la région. Armés de ces connaissances, ils espèrent mieux prévoir les perturbations de l'ionosphère et prévenir les problèmes qui peuvent survenir au sol en dessous.
