L’Institute for Fusion Science a installé la caméra hyperspectrale pour l’imagerie aurorale (HySCAI) à Kiruna, en Suède, en mai 2023 et a commencé les observations à grande échelle en septembre de la même année. Un groupe de recherche a maintenant réussi à observer la distribution en altitude des aurores à ions azote bleu (N₂⁺) émettant de la lumière pendant le crépuscule astronomique à l’aide de HySCAI.
Cette recherche a développé une méthode totalement nouvelle, utilisant le phénomène selon lequel l'altitude à laquelle la lumière du soleil illumine l'aurore change à mesure que le crépuscule progresse. Cela a permis d'observer avec précision la répartition en altitude de l'intensité de l'émission des ions azote. Le pic s'est avéré situé à une altitude d'environ 200 km, présentant une intensité extrêmement élevée.
Les aurores sont des phénomènes naturels dans lesquels des électrons venus de l'espace entrent en collision avec l'atmosphère terrestre (oxygène et azote) et émettent de la lumière. Les différentes couleurs (rouge, vert, violet, etc.) dépendent des atomes ou molécules qui émettent de la lumière et de la manière dont l'énergie change. Cette lumière contient des informations cachées sur la vitesse de chute des particules et les conditions de l’atmosphère.
A quelle hauteur brillent-ils ?
Même si les aurores semblent se propager dans le ciel vues du sol, il est difficile de déterminer leur altitude réelle. Les méthodes conventionnelles impliquent l’installation de plusieurs caméras à différents endroits pour capturer des images stéréoscopiques, permettant ainsi une estimation de la hauteur. On pensait qu’une seule caméra ne pouvait pas déterminer l’altitude à elle seule.
Les chercheurs se sont inspirés des études sur le plasma réalisées en laboratoire. Là-bas, une technique établie de longue date consistait à tirer un faisceau de particules et à déterminer la profondeur par l'intersection de la lumière excitée par ce faisceau et la ligne de visée de l'observation.
Cette fois, appliquées aux aurores boréales, des émissions aurorales excitées par la lumière solaire (lumière dispersée résonante) ont été utilisées. En utilisant l'intersection de cette lumière et la ligne de visée de la caméra, l'estimation de la hauteur est devenue possible avec une seule caméra.
L'étude est publiée dans la revue Lettres de recherche géophysique.
Force de la caméra hyperspectrale
Avec des caméras ordinaires ou des observations filtrées, lors d'un crépuscule astronomique de l'aube, la réflexion du soleil et la lumière diffusée résonante se mélangent, les rendant difficiles à distinguer. Cependant, la caméra hyperspectrale peut observer les informations sur la couleur de la lumière (longueur d’onde) avec des détails extrêmement fins, ce qui lui permet de séparer et de capturer avec précision les deux composants.
Concernant l'aurore bleue observée à Kiruna, en Suède, au petit matin du 21 octobre 2023, l'équipe de recherche a analysé les données à l'aide d'une caméra hyperspectrale installée par l'Institut national des sciences de la fusion. Ils ont réussi à estimer la distribution précise en altitude des ions moléculaires d'azote (N2+) responsable des émissions des aurores.
Il est bien connu que lors des émissions aurorales nocturnes, l’émission d’ions moléculaires azote est la plus forte à une altitude d’environ 130 km. Cependant, cette observation à l’aube (crépuscule astronomique) a révélé que le taux d’augmentation de l’intensité des émissions culmine à 200 km d’altitude.
Cela indique directement que, au moins au crépuscule, l'émission à une altitude élevée de 200 km est exceptionnellement forte, suggérant la possibilité que des ions moléculaires d'azote existent à de telles altitudes.
Ce résultat confirme des observations antérieures suggérant que la densité des ions moléculaires d'azote à haute altitude pourrait être plus élevée qu'on ne le pensait auparavant, tout en permettant également de vérifier les modèles théoriques concernant les processus physiques impliqués dans la formation des aurores. Les observations de haute précision à l'aide de caméras hyperspectrales ouvrent de nouvelles voies pour la recherche sur les aurores.
Importance et développements futurs
Les observations d'aurores à l'aide de la caméra hyperspectrale ont capturé avec précision les variations temporelles et d'altitude de la lumière diffusée par résonance pendant le crépuscule astronomique, qui étaient auparavant difficiles à quantifier. Par rapport aux caméras classiques utilisant des filtres interférentiels, elle a élargi le domaine d’observation et introduit une nouvelle méthode d’estimation de l’altitude.
Cela devrait contribuer à résoudre le problème de longue date de la génération et de l’écoulement d’ions moléculaires d’azote dans l’ionosphère.
À l’avenir, on s’attend à ce que cette recherche interdisciplinaire progresse grâce à la collaboration avec des universités et des instituts de recherche tant au niveau national qu’international, contribuant ainsi au développement de la recherche mondiale sur les aurores.
