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Etude des aurores polaires au Scoresby Sund pendant
l’année polaire
A. Dauvillier
To cite this version:
ETUDE DES
AURORES
POLAIRES AU SCORESBY SUND PENDANTL’ANNÉE
POLAIREPar M. A. DAUVILLIER.
Sommaire. - L’auteur souligne l’importance des aurores polaires aux points de vue de la physique
solaire, de la géophysique et de la connaissance de l’ionosphère.
Il décrit le mode d’observation utilisé au Scoresby Sund pendant l’Année Polaire. Une veille continue,
effectuée par quarts de trois heures, totalisant 2 700 heures d’observation, a permis de dresser une
statis-tique aurorale complète.
Il décrit les diverses formes observées ainsi que leurs mouvements et donne une interprétation théorique,
basée sur la turbulence de la haute ionosphère, des ondes lumineuses parcourant les draperies.
Il étudie ensuite le processus de transformation d’un arc homogène diffus en une mince draperie
par-courue par des rayons mobiles et déliés, les mouvements d’ondulation et les tourbillons montrés par ces
rayons. Un schéma de ces mouvements, appuyé par des photographies prises au zénith, en permet l’analyse.
Ils sont interprétés comme une turbulence de l’ionosphère provoquée par les variations d’intensité du flux
électronique solaire.
Le phénomène de contraction est étendu à la transformation d’une aurore non polaire diffuse, existant
sous toute latitude, en une draperie à rayons. Une théorie ionique de cette transformation, basée sur les
phénomènes observés pour des pressions beaucoup plus élevées, dans les tubes à rayons cathodiques, rend
compte du phénomène. L’auteur souligne l’importance des aurores équatoriales au point de vue de la théorie
générale de l’aurore.
Il étudie ensuite les rayons, leur inclinaison, leurs mouvements, leur aspect et discute leur nature. Les mesures indiquent qu’ils sont constitués par des rayons magnéto cathodiques, l’énergie des électrons secondaires étant de l’ordre de 107eV, c’est-à-dire voisine de celle des électrons secondaires excités par les électrons cosmiques au sol.
Les mouvements d’ondulation et spiralés présentés à une beaucoup plus grande échelle dans le temps et dans l’espace par les draperies, sont illustrés par des photographies. Les travaux de restitution du Ct Habert permettent d’effectuer la mesure précise de ces mouvements.
L’auteur précise ensuite les variations de brillance des phénomènes auroraux et explique les fausses apparences d’aurores « au sol » maintes fois signalées.
L’étude de la brillance le long des rayons montre une décroissance très lente de la pression dans
l’iono-sphère avec l’altitude, due au régime turbulent dont elle est le siège. Cette turbulence est accusée par les mouvements des nuages phosphorescents post-auroraux. Elle explique l’aspect apparemment désordonné des « orages auroraux ». Les draperies montrent parfois l’existence de couches gazeuses absorbantes, vers
100 Km d’altitude, qui sont à rapprocher du troisième arc crépusculaire et de la couche E de Kennelly-Heaviside.
L’auteur décrit la variation diurne très accentuée, observée au Scoresby Sund et l’interprète par un déplacement géographique de la zone aurorale dû aux variations périodiques de l’inclinaison de l’axe de-Gauss par rapport au plan de l’écliptique.
L’auteur définit une « activité aurorale » bi diurne et étudie ses variations au cours de « l’année
auro-rale ». La courbe correspondante montre que l’aurore a été un phénomène quasi-permanent au Scoresby
Sund, en un lieu intérieur à la zone aurorale. La courbe, en parfait accord avec celle de l’activité magnétique,
accuse la période de rotation solaire de 27 jours.
Les courbes aurorale et magnétique sont en opposition de phase avec la courbe représentant l’activité
solaire, le décalage étant d’une demi-période de rotation. Ce phénomène ruine les théories hertzienne et
ultraviolette de l’Aurore et du magnétisme terrestre ainsi que les théories basées sur l’émission par le
Soleil de nuages de corpuscules complémentaires électrisés. Il vérifie la théorie électronique des jets coro-naux et leur déviation magnétique au voisinage du Soleil et s’accorde avec les observations astronomi-ques effectuées durant les éclipses.
La variation annuelle de l’activité aurorale est faible et peu accentuée.
La spectrographie visible et ultraviolette de l’aurore a permis de retrouver une partie des résultats
déjà obtenus par Vegard en d’autres régions de la zone aurorale.
L’auteur a établi au Scoresby Sund un enregistreur photoélectrique des aurores. Il expose
théorique-ment le problème et décrit le système optique, la cellule et l’amplificateur utilisés. Cet appareil a montré que l’intensité lumineuse de l’aurore pouvait varier dans une grande proportion.
Des aurores invisibles à l’oeil nu, apparaissant au crépuscule ou par temps couvert, ont été décelées et
enregistrées. L’appareil permet une comparaison précise des courbes aurorales avec les magnétogrammes et
tellurogrammes. Il permet dorénavant de mesurer quantitativement un phénomène jusqu’alors apprécié
d’une manière subjective purement empirique.
1. Introduction. - Le terme d’ « aurore
polaire
»,qu’il
faut bienemployer puisqu’il
est consacré parl’usage,
est doublement inexact car il introduit uneconfusion fâcheuse avec la lumière solaire et il
s’ap-plique
à unphénomène
nullement limité auxrégions
polaires.
Il ne se passeguère
de maximum solairesans
qu’il
se manifeste sous nos latitudeset,
plus
rarement, dans les
régions équatoriales.
Il399
à vrai
dire,
toute laTerre,
mais avec uneprobabilité
variables,
et cepoint capital
semble avoiréchappé
à laplupart
des théoriciens de l’aurore. En tout lieu duGlobe,
l’auroregénérale permanente,
àlaquelle
ondoit une
partie
de la luminosité du ciel nocturne,peut
se transformer eu une aurorelocalisée,
brillante et mobile. Il conviendraitplutôt
del’appeler
la « LumièreElectrique
Atmosphérique
», parexemple,
car sanature
cathodique
ne faitplus
aucun doute et elle est liée à laprésence
des gaz raréfiés de la hauteatmos-phère.
C’est ce caractère monclial de
l’aurore,
joint
à sesrelations avec la
physique
solaire et nombre dephé-nomènes
géophysiques,
tels que lemagnétisme
terres-tre,
les courantstelluriques,
l’ozoneatmosphéri-que,
etc.,
qui
en fait un desphénomènes
lesplus
importants
de laphysique
cosmique.
L’aurore constitue aussi un des rares moyens d’étude
de la haute
atmosphère
dont nousdisposions.
Celle-ci
joue
un rôle essentiel dans les radiocommunications. Lamétéorologie, qui
semble conditionnée par l’état del’ionosphère,
sansqu’on puisse
encore saisir lesrapports
existants entre les causesextérieures,
d’ori-gine
solaire,
et les effetsproduits
dans latroposphère,
devra yapporter
une attention croissante. Enfin cetterégion
sera bientôt le milieu de l’aviationstratosphé-rique
et,
plus
tard,
celui del’astronautique.
2. Observation des aurores. -
L’Expédition
fran-çaise
de l’Année Polaire aséjourné
auScoresby
Sund,
sur la côte orientale du
Grônland,
du 27juillet
1932 au15 août 1933. Les coordonnées
géographiques
de laFig. 1.
station
principale,
établie à l’altitude de 40mètres,
auvoisinage
de la mer, étaient : latitude nord 70°29’1" ;
longitude
9-lo577" W.Greenwich,
correspondant
à unretard horaire de deux heures
(fuseaux)
sur letemps
universel. La carte de lafigure
1 montre la situationgéographique
de la station Scomparativement
aupôle
magnétique
actuelM,
aupôle
de Gauss G et à la zôneaurorale,
schématisée par la circonférence centrée sur G. L’observation simultanée des aurores dans toute la zônearctique
del’hémisphère
obscur constituait l’un des butsprincipaux
de l’Année Polaire. AuScoresby Sund,
cesobservations,
liées à lalongueur
de lanuit,
furentpossibles depuis
le début deseptembre
jusqu’au
début d’avril.La
figure 2
montre la distribution du nombre des heures d’observation durant cettepériode.
Pendant la « nuitpolaire
», du 2Z novembre au 21janvier,
la veilleatteignit
17 heures consécutives. Autotal,
2700 heures d’observation furent effectuées.L’Aurore Polaire
est,
eneffet,
unphénomène
appa-remment si
fugace
et sicapricieux qu’une statistique
Fig. 2.
précise
nepeut
en être dressée que par une veillecontinue. Les résultats obtenus par de courtes obser-vations
périodiques
du cielpeuvent
conduire à des conclusions erronées. Lepersonnel
del’Expédition
étant nombreux(15
membres)
et surtout constitué d’officiers de marine et demarins,
une veillecontinue,
effectuée par «
quarts
de troisheures,
par douzed’entre nous, fut
organisée
par le lieutenant devais-seau
Habert,
chef del’Expédition,
àpartir
du 17 sep-tembre 1932.L’observation des aurores
s’effectue,
engénéral,
dansles
régions polaires,
enplein
air et dans des conditionstrès
pénibles.
Il semblaitpossible
de fairebeaucoup
mieux. Nous fîmes édifier sur le toit de la station -laboratoire(voir
fig.
3)
une tourhexagonale
de deux mètres de diamètre terminée par une cabine munie desix
glaces
doubles inclinées et d’uncapot
central releva-ble. Les observationspouvaient
ainsi se faire à l’airlibre,
la tète de l’observateur affleurant l’ouverture ducapot,
tandisqu’il
étaitbaigné
dans un courant d’air chaudascendant, provenant
de l’intérieur du bâti-ment.Des
supports
mobiles etorientables,
fixés al’inté-rieur,
pouvaient
recevoir un ou deuxappareils
photo-graphiques
utilisables ainsi sans mouffles par lesplus
grands
froids. Par très mauvaistemps,
il était encorepossible
de faire des observationsspectroscopiques
autravers des
glaces.
De très nombreuses aurores n’ont été décelées partemps
couvert quegrâce
au400
l’espace compris
entre lesglaces,
était chauffé par unruban de nichrôme absorbant une centaine de watts.
Enfin,
l’intérieur de la cabineportait
unegraduation
angulaire
apparente
pour l’orientationrapide
des phé-nomènes observés.Fig. 3.
On sait que les aurores sont
toujours
sensiblement orientées selon desparallèles magnétiques
serappor-tant à l’axe
théorique
de Gauss. Il était doncplus
indi-qué
de lesrapporter
à cespoints
cardinauxmagnéti-ques
qu’aux
coordonnéesgéographiques.
Or,
il setrouve,
qu’au Scoresby
Sund,
la direction de cepôle
de Gauss
(Thule)
coïncide sensiblement avec ladécli-naison
(33°~1’
Ouest).
Lespoints
cardinaux inscrits dans lacoupole
le furent doncsimplement
d’après
les indications du compas.Une
sphère
céleste orientée et mue par unmouve-ment
d’horlogerie
selon letemps sidéral,
ainsiqu’un
dispositif
decalque
sur carte lumineuseplane
du ciel furent même installés par le Commandant Habert. Lepremier permettait
la mesurerapide
des hauteurs stellaires de référence. Lesecond,
la restitution de laposition géographique
des aurores au moyen d’unsystème
deprojection particulier.
Sur le cahierd’ob-servation,
éclairé par unelampe
veilleuse,
étaientportées
les indications suivantes :1°
L’heure,
exprimée
entemps
de Greenvich.2° Les conditions
météorologiques,
aupoint
de vuede la
visibilité;
3° La forme de l’aurore
(arc homogène, draperie,
rayons, couronne,etc.) ;
4° La
position
dPslueurs,
en fonction despoints
cardinaux
magnétiques,
(coordonnées
de lastation);
5° Leur hauteur au-dessus del’horizon;
6" Leur
position
parrapport
aux étoilescaractéris-tiques.
i ° L’intensité du
phénomène, exprimée
selon l’échelleinternationale
(0
à4), appréciée
à l’oeil nu ou, par,temps
couvert,
auspectroscope.
Plus de dix mille observations de ce genre furent
notées. Elles seront
publiées
dans un autre recueil. Nous nous bornerons àreproduire
ici,
à titred’exem-ple,
une page d’observations :«
~4j 3~
i ~J’ 3 ~, quart
de 4 h. à 7 h.Gr.,
Habert.4 h 00 Ciel entièrement couvert. Il
neige. Spectre
continu auspectroscope.
(Lune
quar-tier).
Aucune aurore observable.4 h 30 Ciel couvert avec trous. Il
neige toujours.
Quel-ques étoiles
apparaissentau S
W et au zénith. Aucune aurore observable.4 h 45
Rayons
visibles entre les nuages : Azimuth :~70°,
h= ~~°, I = ~ .
4 h 55 Arc visible entre les nuages au
S,
A=== 75°,
I =1 Raie à
peine
discernable à l’Est. 5 h 00 Ciel9/10
couvert.5 h 20 Ciel
8/10
couvert. Laneige
cesse.5 h 25 Lueur aurorale au 150° h ==
12°,
1=1,
visible
entre les nuages.
5 h 30 Ciel
5/10
couvert. L’Aube éclaire tout l’Est du ciel.5 h 36
Draperie
auI60°,
h =10°,
1 =z 3. Fortebril-lance
malgré
la lumière de l’aube. Assezgrande
turbulence.5 h 42 Arc double culminant au
S;
h == 85°(calque),
1=1
5 h 47 Autre arc culminant au
Nord ;
h= 85°,
(calque)
I = 1.
5 h 50 Lueurs
éparses
et très faibles sur lespositions
de l’arc de 5 h 42.5 h 56
Draperies
culminant auzénith;
I = 2,
(vers
l’Est),
très brillante à l’Ouest : I = 3(calque).
6 h 00Quelques
lueurssubsistent,
mêmespositions.
6 h 13Fragment
dedraperie
visible à travers les nuages : 280A
~90°,
h =6U°, I = ~.
6 h 20
Fragment
d’arc àpeine
perceptible
sur le cielclair : A
= 2701,
h =6 h 28 Deux
draperies
culminent,
l’une au S : h = ~8 .l’autre au N : h =
55°,
1 = 2. Les rayonsébauchent une couronne.
6 h 30
Rayons
au280°,
h =60°,
1 == 2.6 h 38 Il fait
jour.
Ondistingue
les couleurs duspectre.
Les étoiles depremière
grandeur
seules appa-raissent t encore. On observecependant
unfragment
dedraperie
très brillant : A =300%
H
= 60°,
7=3?6 h 46
Rayon
très brillant à l’ouest : 30° à 50° 1 === Il?Il fait
grand
jour.
On
voit,
d’après
cetexemple,
quelorsque
les condi-tions de visibilité sontfavorables, l’aurore,
quoiqu’étant
un
phénomène
essentiellementdiscontinu,
estquasi-permanente.
Si l’on divise lesjournées
d’observationsen deux
périodes,
comptées
de () à 12 heures et de 12 h à 24heures,
deux seulement de bonnevisibilité,
(5
février
soir, 8
févriermatin), (quoique ayant
eu lieu parrepré-PLANCHE I.
PLANCHE II.
Fig. 6.
Fig. 8.
PLANCHE IV.
Fig. 5.
401
sente une
proportion
de0,5
pour 100. Unestatistique
horaire donnerait sans doute une
proportion supérieure.
Néanmoins,
on voitqu’en
pleine
période
de minimumsolaire et en une station située au nord de la zone
de
fréquence
maxima deFritz,
l’aurore est à peuprès
permanente.
3. Formes aurorales. - Toutes les formes
clas-siques (arc,
draperies
etc.)
ont étéobservées,
toujours
sensiblement
orientées,
de l’Est à l’Ouest.Les déviations
atteignaient
45° depart
et d’autre de la direction E-W d’unefaçon apparemment
désordonnée.Cependant
les beaux travaux de restitution du Comman-dant Habert montrent undéplacement
diurne,
régulier
du
pôle
auroral,
les arcs du soir étant centrés vers leNE et ceux du matin vers le Ce mouvement est
en accord avec les observations faites à bord du
« Maud »
(1).
D’une manière
générale,
les arcs diffushomogènes
ettranquilles
ont étéplutôt
observés au Sud. Si la based’un tel arc est vue, par
exemple,
à 10° au-dessus del’horizon,
il culmine à 570 Km dedistance,
sa hauteurétant de l’ordre de 100
Km,
c’est-à-direqu’il
se trouveau-dessus du Nord de
l’Islande,
enpleine
zôneauro-rale.
Des arcs ont été vus simultanément au Sud et au
Nord,
respectivement
à 5 et 8° de hauteur(28/2/33).
Leur distance était ainsi de 1800 Km. Lalargeur
de la zône aurorale n’est pas unegrandeur
définie. Elle n’aqu’une
valeurstatistique.
Ces arcs n’ont
jamais
été assez brillants(intensité
maximum3)
pourparaître
colorés. Ilspouvaient
per-sisterplus
d’une heure sanschangement
apparent.
Les arcs et les
draperies
peuvent
sedéplacer
tout d’unepièce
et trèsrapidement
vers le nord ou vers leSud. Par
exemple,
le4/2/1933
unedraperie
vue auNord à 21 h 54
(h
=85°)
culminait au Sud(h
=63°)
une minute
plus
tard. La vitesse dedéplacement
était ici de l’ordre du Km par seconde(2/3
Km/sec).
Cesmouvements sont aisément
interprêtés
dans la théorie que nous avons donnée de cesphénomènes
(2)
par unevariation continue de
l’énergie
des électronsprimaires
d’origine
solaire.On
peut
dire que le volume et la mobilité desphéno-mènes auroraux varient inversement avec leur inten-sité. Parfois la raie verte est
visible,
par ciel pur, surle ciel tout entier. Un arc
homogène tranquille,
vu auZénith, peut
atteindre unelargeur
de50,D,
cequi
cor-respond
à uneépaisseur
d’une centaine de kilomètres.Dès que l’intensité
augmente,
il se contracte et estpar-couru par des ondes lumineuses
longitudinales
à bord net du côté du sens de lapropagation
et à bord diffus du côtéopposé.
Desexemples
d’une telleonde,
qui
peut
se
déplacer à toutes
lesallures,
jusqu’à
40°/sec
(plusieurs
dizaines de kilomètres par
seconde)
sont visibles sur les.
figures 4
et 4 bis. Cet effet est dû à la
phosphorescence
de l’air excité par les rayonscathodiques,
lephénomène
(1) FISK et FLEMiNG, Terr. mars 1928, t. 33, p. 37.
(1) A. DAUVILLIBR. Rev. Geu.
Electr.,
t. 31, 5 mars, 2 et 9 avril 1932.d’excitation durant lui-même seulement un
temps
trèscourt,
d’autantplus
court que l’intensité estplus grande
etpouvant
sans doute s’abaisserjusqu’au
millième de seconde.La
phosphorescence, qui
résulte du retour à l’étatstable des atomes excités
(la
raie vertecaractéristique
5577 Ácorrespond
à la transitionSo
-1D2),
s’affaiblitgraduellement
etpeut
persister
près
d’unquart
d’heure dans le cas desplus
fortes excitations(1 = 4).
Lorsque
l’intensitéaugmente,
l’archétérogène
setransforme d’abord en une mince
draperie
parcourue par des rayons lumineux très déliés et très mobiles. Le cliché de lafigure
6 en donne unexemple.
Vue auZénith,
lalargeur
nedépasse
pasquelques
minutes,
soit moins d’un
kilomètre,
diamètre moyen d’un rayon. En mêmetemps,
ladraperie
ondule lentement avec un trèsgrand
rayon decourbure,
de l’ordre de 100 I~m. Cette contraction duphénomène
lumineux dans l’es-pace auvoisinage
de la Terre(à quelque
centaines de kilomètres dusol)
traduit nécessairement la contrac-tioncorrespondante
de la source en fonction de l’inten-sité.D’après
lathéorie,
cette source est constituée parune boucle d’électrons solaires de
grande énergie,
enroulés dans lechamp magnétique
du Globe à unegrande
altitude,
de l’ordre du rayon terrestre. Cescor-puscules
arrivant dans leplan
del’équateur
solaire sont déviés par lechamp
magnétique
du Globe et nerencontrent pas
celui-ci,
mais seulement les confins deson
atmosphère qui, théoriquement,
s’étendjusqu’à
6,6
rayonsterrestres,
comptés
àpartir
du centre.Ce faisceau
cathodique
primaire,
traversant un gazionisé
(ionosphère)
par lerayonnement
ultra-violetsolaire,
donc àcharge spatiale
positive,
est fortana-logue
aux faisceauxcathodiques
sepropageant
dans le gaz raréfié d’un tube de Crookes à basse tension et il est bieii connu que, dans ce cas, il seproduit,
pour unecertaine densité
électronique
dufaisceau, dépendant
de lapression,
uneremarquable
concentrationélectrosta-tique
ionique
(Johnson,
Buchta).
Un faisceaucathodique
à basse tensionproduisant
unspot
brillant d’un milli-mètre carré desection,
transporte
environ unmicro-ampère
et est concentré sous lapression
d’unebarye.
Ila une densité de 10-’~
A/em2.
La densité que l’onpeut
attribuer aux électrons solaires
peut
êtreestimée,
par diversesconsidérations,
à10-1°Ajcm2.
C’est t une den-sité un million de foisplus petite qui correspondrait
à unepression
de concentration de l’ordre de 9 U-6barye.
Telle est lapression
que l’onpeut
attribuer à notreatmosphère
à une altitude d’un rayon terrestre.Ce
phénomène
decontraction,
auquel
nous assistons constamment dans lesrégions
polaires,
1 semble nousdonner la clef du mécanisme de
l’apparition
desdra-peries
dans lesrégions tempérées
etéquatoriales.
De telles aurores sontinexplicables
dans les théories(Birke-land,Stôrmer)attribuant
lephénomène
lumineux àl’im-pact
direct d’électrons solaires.L’énergie
qu’il
faut alors attribuer à cescorpuscules,
pour leur faire rencontrer leGlobe,
estd’autantplus
grande
que402
inférieur net est
toujours
voisine der 100 1;m, c’est-à-direque le
pouvoir
depénétration
des électrons e·tcons-tant et
indépendant
de la latitude.Si les
phénomènes
lumineuxsont,
aucontraire,
dûsà des électrons
secondaires,
comme lepensait
P.Vil-lard, ceux-ci auront
toujours
la mêmeénergie.
Lew orbitesprimaires,
polaires
etéquatoriales,
donneront à tout moment naissance à l’auroregénérale
perma-Fig. 7.
nente,
àlaquelle
nous devons unepartie
de la lumi-llosité du ciel nocturne. Sous toutelatitude,
unaccrois-sement de densité de ces orbites d’onnera naissance à
une
draperie,
selon le mécanismeprécité.
L’un des
plus
beauxexemples
d’auroreéquatoriale
que l’on
puisse
citer est celui observé parAngenheis-ter
(1)
à Samoa(14, S)
le 1:5 mai 9I. Il coïncida avecle passage par le mérid’ien central du Soleil d’un groupe de trois taches. Entre 18 et 19 heures
(temps
local)
unarc rouge intense
(h
=20°),
centré sur le méridienmagnétique,
apparut
au sud deTongatabu (»°
S).
Il est à remarquer que lepôle
de Gaussest,
dansl’hémis-phère
austral,
plutôt
tourné vers les îles de la Sonde.C’est la
région
leplus
favorablement située pour l’observation de telles aurores.Non’seulement
la nouvelle théorie rendcompte
de l’aurorepermanente mondiale,
mais elle donne uneinterprétation simple
de ces auroreséquatoriales.
Si1"on considère
(voy.
fig.
7)
les enroulementsayant
lieu dans leplan équatorial magnétique
duGlobe,
sonchamp
Jepeut
être considéré comme celui d’undipole
placé
en son centre etvariant,
àpartir
de cepoint,
inversement au cube de la
distance,
c’est-à-dire du rayon de courbure p. Lesgrandes
valeurs duproduit
caractéristique 3C p
correspondent
aux orbites degrande
énergie
lesplus
voisines du Globe. Parconséquent,
comme le montre la
figure,
les électrons secondaires libérés donneront naissance à des aurores d’autant(1) JJeteor. Z., 1932, t. 39, p. 20.
plus
voisines del’équateur
quel’énergie
des électrons-solaires seraplus
grande. L’espace compris
entre les. tubes de force 1 et 3représente
la zône auroralepolaire
de
Fritz,
tandis que te tore 7correspond
à l’aurore observée à Samoa. Il est à remarquer que les auroresque nous voyons en France sont
dues,
non à des orbitespolaires, géométriquement impossibles.,
mais à. destrajectoires équatoriales
degrand
rayon decour-bure enroulées sur 4. Par raison de
symétrie
ce méca-nisme donnera naissance à la fois à des aurores boréales et australesqui
seront d’autantplus
intensesqu’elles
seront deplus
basse latitude. Onpeut
ainsi calculer quel’énergie
maxima des électrons solairespeut
attein-dre3,,10’°
eV. Lasphère S correspond
à la limitethéorique
del’atmosphère.
Un
phénomène
extrêmementremarquable,
qui
semble avoiréchappé
à laplupart
des observateursd’aurores,
a étéfréquement
observé auScoresby
Sund. Ilapparaît lorsqu’une draperie
intense souvent colorée :(I =
~~)
passe au Zénith. Le mouvement d’ondulationsignalé plus
hauts’exagère
etdégénère
en mouvement de rotationproduisant
des tourbillons isolés de rayons. Ce mouvement est sirapide qu’il
est fort difficile â saisir et àanalyser,
et que laphotographie,
qui
exige
une pose de l’ordre de la seconde avec un
objectif
ouvert à
fIl, 2
nepeut
en rendre les diversesphases.
Cependant,
le cliché de lafigure
8 a saisi la secondepar-403
cours de la
draperie
par les rayons estl’enroulement de ceux-ci a lieu dans le sens
con-traire au mouvement des
aiguilles
d’une montre.Lorsque
lephénomène
aacquis
cette intensitémaxima,
le défilé des rayons est sirapide
que lapé-riode de rotation ne semble pas
dépasser
le centièmede
seconde,
avec un diamètre d’enroulement de l’ordre dequelques degrés.
A notreconnaissance,
cephéno-mène n’a
déjà
étésignalé
qu’une
seulefois,
par A. We-gener(1), qui
l’a aussi observé sur la côte orientale duGronland,
à DanmarksHavn,
lors de seshivernages
de ll,)06-1908.
Fig, 9.,
Ce
phénomène
doit être tout à faitgénéral
maisquelle
en est la nature ? Pourrépondre
à cettequestion
nous devons d’abord
préciser
celle des rayons. Ceux-cisemblent bien être des rayons
magnéto-cathodiques,
au sens que leur a donné M. Fortin
(1),
c’est-à-dire desélectrons
secondaires,,
d’origine atmosphérique,
d’éner-gie
relativementfaible,
enr-oulés lelong
deslignes
deforce
magnétique
duchamp
terrestre. Ces rayons, dontles
figures
10 et11,
donnentquelques exemples,
sontremarquablement
longs
et déliés. Onpeut
vérifier de diversesfaçons
qu’ils
coïncident avec l’inclinaisonma-gnétique.
Parexemple,
lafigure
12 montre uneincli-naison de 7RO
qui
a étéplusieurs
fois contrôlée par laposition
dupoint
de radiance de la couronne zénithale parrapport
aux étoiles(vu
auSud,
hauteur :7 i-it;°).
Les rayons suivent donc bien leslignes
de forcemagné-tique
et ils les suiventtoujours ~1).
Mais,lorsqu’un
rayon tourne en
spirale
ils’agit
sans doute d’un effetde
perspective :
l’lllcllnelsollpeut
demeurer constanteet,
seule,
la, source gazeuse tourbillonner.Le gaz traversé par les électrons solaires
perdant
desA. lFJeddelelser oni G,ôtiland., 1930, Bind LXXV,
p. 666.
(2) FCRTIP1, C 1904. L 1G8. p. 1594.
(ù) On sait que, par suite d’un effet de parallaxe, le point de
radiance est toujours un peu au-dessous du zénith magnétique.
(Galla, Aslron. Nach., t. 79; Lespiault, Jottrn. de f’ItcJs , t. 3,
p. ï~. 18 ï4).
électrons de
grande
énergie, acquiert
donc unecharge
spatiale positive.
S’il est animé d’unegrande
vitesse de translation(par
ex. AY -E)
lelong
de ladraperie,
il sera
équivalent
à un courant et la loi deLaplace
montrequ’il
formera des tourbillons autour deslignes
de force duchamp
magnétique
parcourues dans le sensinverse à celui des
aiguilles
d’unemontre,
pour unobservateur au sol. La vitesse
tangentielle
dépend
dela
charge
et de la vitesse de translation. Ellepeut
atteindre 1 000kmjsec.
Si la théorie estexacte,
le sensde rotation doit être inversé dans
l’hémisphère
aus-tral.
Les
perturbations
magnétiques
sontenregistrées
ausol par des
variomètres,
c’est-à-dire desappareils
mé-caniques
à aimantspermanents mobiles,
d’une inertie de l’ordre deplusieurs
secondes. Lesperturbations
extrêmementrapides
dansl’inclinaison,
parexemple,
que nous observons dans le
ciel,
nepeuvent
êtreenre-gistrées
par eux. Dans le but de mettre en évidence cesperturbations
degrande
fréquence
et degrande
amplitude, probables
mais encoreinconnues,
nousavions
emporté
auScoresby
Sund unoscillographe
cathodique
à basse tension dont lespot
aurait accusé les variationsrapides
duchamp.
Malheureusement,
cent
appareil
fut victimeirréparabTe
accident etl’isolement
complet
de la station entrechaque
été n’enpermit
pas leremplacement.
Nous nous proposons dereprendre
ces observations avec un tubecathodique
fonctionnant à très basse tension
(30
volts).
L’existence même du rayon isolé soulève un
problème
fondamental. La concentration ne semble pas ici due
à un effet
ionique,
car le diamètre ne varie pas surplusieurs
centaines de kilomètres dehauteur,
dans unmilieu où la densité doit
cependant
s’accroître notable-ment vers le bas. Il semble nécessaired’imaginer
quela source en est un orolmue gazeux discret et
mobile,
et l’on arrive ainsi à laconception
d’une hauteatmos-phère,
-en
période
d’orage
auroral,
-discontinue,
cyclonique
et tourbillonnaire. Cette turbulence del’ionosphère
serait de natureélectromagnétique,
mais ilparaît
difficile depréciser davantage
actuellement cetteconception
nouvelle.Enfin,
il faut remarquer que la concentrationionique
d’un faisceau
cathodique
s’accompagne
toujours
de contractions et de dilatationspériodiques :
le faisceau ressemble à une corde vibrante(Buchta)
dont la lon-gueur d’ondedépend
de l’intensité. Cettepériodicité
pourrait,
dans une certaine mesure, êtrel’origine
des rayons constituant ladraperie.
Si le rayon est bien effectivement un enroulement
magnéto-cathodique,
sondiamètre, qui
est de dukilomètre,
dans unchamp magnétique
voisin de0,6
Gauss, correspond
à uneénergie électronique
de l’ordre de 10i e’7. Cetteénergie
est considérablementplus grande
que celle que honpeut calculer,
en404
pression
normale,
est seulement de 8.105 X10-tJ,
soit 8 mm, et des électrons totalement arrêtés par cet écran n’ontqu’une énergie
de i0~ eV. Unepareille
trajec-toire
(’)
estcependant
peuplausible
et nousadopte-rons
plutôt
la valeur calculéeplus
haut : 101qui
~est de l’ordre degrandeur
del’énergie
des électrons secondaires(106
excités par des électronscos-miques d’énergie égale
à 1.09 ou 10’° eV.Le rayon
correspond
bien à un courant d’électrons,dirigé
de haut en bas. Plusieurs observationsindépen-dantes ont montré que
lorsqu’une grande
draperie
traversait leZénith,
enpassant
du Sud auNord,
ladé-clinaison,
qui
était occidentale avant le passage, deve-nait orientale sitôtaprès.
Lechamp perturbateur
est ici lechamp magnétique
d’une nappe de courantsélémentaires
quasi-verticaux.
En dehors de cette
turbulence,
lesdraperies
sontsujettes
à de lents mouvements d’ensemble de beau-coupplus
grande
amplitude qui,
à une autreéchelle,
imitent les mouvementsrapides
d’ondulation et degiration déjà
décrits. De tels mouvements sont visiblessur les
figures
~, ~ 1
et 13. Ce dernier cliché montre queplusieurs
draperies
parallèles
accusent simultanémentle même
accident,
ici une courbure de concavité tour-née vers le Nord. Troisdraperies parallèles
de cegenre sont
interprétés,
selon lathéorie,
par la traver-sée del’ionosphère
par trois bouclesconcentriques
d’électronsprimaires monocinétiques.
Cesdraperies
représentent
trois « raies » distinctes duspectre
rllagné-tique
terrestre des électrons solaires. Ces electronsgra-vitent à une altitude où les accidents terrestres du
champ magnétique
s’évanouissent et où lepôle
auroral,
centre de courbure des arcs,
coïncide,
non avec lepôle
dedéclinaison,
mais avecIepôle
deGauss,
commele montre l’observation. Les
spires primaires
nesouf-frent donc pas les
perturbations
montrées,
auvoisinage
de la
Terre,
par les rayons et lesdraperies.
Ces accidents de
grande amplitude
dénotent uneperturbation
magnétique
profonde
régnant
sur unerégion
étendue du Globe. Unedraperie
finissant par unenroulement en
spirale
de rayon de courburerapide-ment
décroissant,
semblereprésenter
la fin d’uneéruption
solaire en traduisant l’abaissementprogressif
del’énergie
dujet
coronal élémentairecorrespondant.
4. Structure et Turbulence del’ionosphère.
-Les aurores intenses montrent souvent l’existence de trèslongs
rayons dont la luminosité semble peu variersur un parcours de
plusieurs
centaines de kilomètres.D’après
la loi deLaplace,
cette luminositédevrait,
aucontraire,
varierexponentiellement.
Il en résulte quela
pression
dansl’ionosphère
ne doit décroitre que fortlentement. De
plus,
la couleur de ces rayons estsou-vent invariahle et leur
spectre
ne décèle rien d’autreque les bandes de l’azote et les raies de
l’oxygène.
L’ionosphère
n’a donc nullement la nature que lui attribue la théorieclassique :
unesuperposition
de(1) Qui a conduit Yegard à la conception qu’elle était celle de rayons a.
couches gazeuses
tranquilles
de densité décroissante. A l’altitude du bord inférieur net des aurores, soit 100kilomètres,
l’atmosphère
ne devraitdéjà plus
êtreconstituée que
d’hydrogène.
L’existence d’une
ionosphère
s’étendant àune grande
altitude(Stôrmer
aphotographié,
durant des auroresintenses,
des rayonsapparaissant
dès 2400Km),
for-mée de gazlourds,
azote etoxygène,
et danslaquelle
lapression
décroitlentement,
est une condition peufavorable pour
l’astronautique.
Les calculs de R. Es-nault-Pelterie(’)
ont montréqu’une
atmosphère
d’hy-drogène pourrait,
à larigueur,
être traversée sans dom-mage par un astronef doué d’une faible accélération mais celui-ci sera inévitablementgrillé,
à la manière d’une étoilefilante,
s’il doit traverser uneatmosphère
étendue constituée de gaz lourds.
Les nuages
phosphorescents
post-auroraux
décèlentparfois,
par leursmouvements,
l’existence devents,
d’une très
grande rapidité
dansl’ionosphère. Déjà
les nuagesphophorescents
(Ceralski,
1885),
dont l’altitudeest de 80
Km,
montrent des vitesses d’entrainement de 300 mis. Les traînéesphosphorescentes
delongue
durée(un quart d’heure)
laissées par certaines étoiles filantes entre 150 et 180 Kmd’altitude,
et dont la nature semble êtreidentique
à celle des rayonsauro-raux
(excitation
électronique),
accusent des vitessesplus
considérables encore.Les nuages
post-auroraux
montrent l’existence de vents animés de vitesses de dizaines de kilomètres parseconde,
à la suite d’aurores intenses. Le gaz del’io-nosphère
étanttoujours
illuminé et fortement ionisé par lerayonnement
ultra-violetsolaire,
il estprobable
que ces vents sontd’origine électro-magnétique.
Rappelons
que sous cespressions,
inférieures à labarye,
le gaz estultra-raréfié,
quelavie
des ions formés est de l’ordre de l’heure et que la vitessed’agitation
moléculairethermique
est voisine du kilomètre parseconde.
Non seulement les nuages
phosphorescents
post-au-roraux décèlent l’existence dans
l’ionosphère
d’une turbulenceparfois
considérable,
mais encore les rayonsdes
draperies
montrent souvent l’existence de couchesionosphériques
de densités différentes se traduisant par des variations de luminosité lelong
de leurpar-cours.
Deux beaux
exemples
de cephénomène
sont montrés par les clichés 4 bis et 11. Lepremier
montre laprésence
d’unefrange
lumineuse à la base d’unedraperie,
surune hauteur voisine de 30 Km. Cette
frange
décèlel’existence d’une couche
ionosphérique
de densité éle-vée dont le bordsupérieur
atteint 130 Km. On pense immédiatement àrappiocher
cephénomène
de celuides arcs
crépusculaires.
Esclangon (1)
a souvent observé à l’Ouest(H =
45°),
trois arcssuccessifs,
rose, jau-nâtre etbleu-verdàtre,
correspondant
à des altitudesrespectivement égales
à16,
45 et 130 Km.(1)
L’astronautique,
Paris 1930.405
Cette dernière valeur est en accord avec celle trouvée
pour l’arc
crépusculaire
principal
(126 Ism)
par A. We-gener(1. c.)
à Danmarks Havn. Ce savant observaen outre vers
minuit,
au solsticed’hiver,
pendant
lanuit
polaire,
un arccrépusculaire argenté,
distinct de la lumièrezodiacale,
de faiblehauteur,
au-dessus de l’horizon Nord(dépression
solaire36° 18’)
etcorre5-pondant
à une altitude de 700 kilomètres. Par suite del’emplacement
défavorable de la station duScoresby
Sund, qui
avait été choisi en 1931 par la missionCharcot,
nous nepûmes
malheureusement observerces intéressants
phénomènes,
les horizons Nord et Est étant bouchésjusqu’à
une hauteur de dixdegrés.
Cesconditions se révèlèrent aussi fort
gênantes
pourl’ob-servation des aurores
éloignées
et celle du ciel engénéral.
5. Brillance de l’aurore
polaire.
-L’aurore,
avec les intensités
1, 2, 3,
qu’elle présente généralement
n’apparaît
t pascolorée,
car sa brillance est au-dessous du seuil de laperception
de la couleur verte de la raie 5577.On sait que la brillance du ciel nocture est voisine de 10-8
bougie/em2.
Un arc d’intensité 3présente
àpeu
près
la brillance d’un nuage éclairé par lapleine
lune. Le même nuage éclairé par le soleil aurait une
brillance de
quelques
bougies/em2.
Comme les diamè-tresapparents
de la lune et du soleil sont les mêmes et que la lune a un éclat dix fois moindre que celui du nuageensoleillé,
on endéduit,
la brillance moyennedu soleil élant de
1,5.10~
b/em2,
que celle de l’aurore(1
=3)
est dequelques micro-bougies
par centimètrecarré.
1
La lumière aurorale
n’agit
sur l’oeil que par la raie5577 3x
qui
est intense etqui
coïncide avec le maximumde sensibilité de la rétine. C’est à dire que
l’éclairage
produit
par une aurore est tout à faitmonochromatique.
Ce n’est que pour de très fortes aurores que les raies
4709, 46~2, ~~?77,
3914 seperçoivent
faiblement auspectroscope
depoche.
L’intense raie 5577 se diffuse sur les nuages, sur la
neige (je
l’ai maintes fois observée sur le cahier d’ob-servations!)
et c’est cette diffusionqui
a 3i souventtrompé
des observateurs peu avertis en leur faisantcroire à la
présence
d’aurores au sol.C’est seulement avec les aurores d’intensité 4 que les
couleurs
apparaissent fugitivement :
levert,
dû à la raie5577,
leviolet,
aux bandes de l’azote et le rouge, à, la raie del’oxygène
6320 À.L’éclairage
dû à l’aurore est alors très sensible et laneige apparait
rosée.Nous n’avons pas
observé,
auScoresby
Sund,
lesaurores uniformément colorées en rouge décrites par
plusieurs
auteurs.6. Variation diurne de l’aurore
polaire.
-L’observation continue des aurores montre immédiate-ment une variation diurne accentuée. Celle ci estpréci-sée par la
statistique
horaireportant
sur les 157 auro-res lesplus
intenses et lesplus caractéristiques
(voir
fig. 14).
Cette courbe montre l’existence de deuxmaxi-ma : un maxima
principal
à 21 heures(temps local)
etun maximum secondaire à 4 h.
1/2.
Cette variation diurne est due à un
grand
mouve-ment
d’ensemble,
à undéplacement géographique
quo-tidien de la zone aurorale.Une série de très fortes
auro-res, observées fin février
1933,
ont montré cephéno-mène avec la
plus
grande
netteté. Les lueursapparais-saient dans la soirée à l’horizon
Sud,
au-dessus de l’Islande. Lesdraperies
s’élevaient ensuite peu à peu par vaguessuccessives,
jusqu’au
Zénith à l’heure dumaximum,
puis
s’éloignaient
vers le Nord où ellesdis-paraissaient.
Aumatin,
ces vagues revenant du Nord sontresponsables
du maximum secondairelorsqu’elles
repassent
au Zénith.Ces flux et reflux ne sauraient être mieux
comparés
qu’à
une marée montante ou descendante dont les vagues déferlent successivement sur lerivage.
Lephé-nomène est dû à la rotation de la Terre dont l’axe
ma-gnétique
tourne en 24 heures enprésentant
des inci-dences variables parrapport
auplan
de1"équaieur
solaire.Le
pôle
auroral ne se confond avec l’axe cle Gaussque d’une manière
statistique.
Ildécrit,
enréalité,
unecourbe fermée autour de cet axe en
ayant
toujours
ten-dance à suivre le soleil. Cedéplacement géographique
peut
se retrouver dans laplupart
des stations arcti-ques etantarctiques
et semblegénéral.
La variation diurne suit l’heure locale et elle se confond avec lavariation diurne de
l’agitation magnétique.
Comparativement
à cesobservations,
il est intéres-saut de noter quependant l’expédition
duMaud,
sur la côte Nord de la
Sibérie,
de 1918 à1925,
tandis que le navire était sensiblement à 180’’ duScoresby
Sund
(74°N, 1"720 E. Gr.),
auSud de
la zoneaurorale,
les arcs
apparaissaient
le soir au Nord et s’élevaientvers le Sud au cours de la nuit. Le maximum auroral
avait lieu vers minuit. C’est
hréclisément l’époque (le
milieu dujour)
du minimum d’activitémagnétique
auScoresby
Sund.D’autres causes
peuvent
contribuer
àproduire
lavariation diurne : Si
l’ionosphère
est « soufflée » par406
locale),
tandis que lesjets
coronauxs’approchant
du,glob,p,
vers son côté « soir » ont tendance àproduire
unmaximum d’activité vers 18 heures.
7. Variation de l’activité aurorale. - La
statis-tique
permet
de définir une activitéaurorale,
analogue
-à l’activitémagnétique.
Il suffit pour cela d’attribuer à chacune des deuxpériodes
de douze heures dechaque
jour (matin
etsoir)
des coefficients d’activitéanalogues
à ceuxayant
servi à estimer l’intensité desphéno-mènes lumineux élémentaires observés.
Cette
attribution,
qui
doit tenircompte,
à lafois,
de lafréquence
et de l’intensité des lueursapparaissant
durantchaque période,
est nécessairement moinspré
-cise que dans le cas de la lecture demagnétogrammes
et ellepossède
un caractèreempirique
marqué.
Néan-moins,
elle s’est révélée tout aussi satisfaisante que laqualification
de l’activité solaire au moyen des nombres de Wolf et elle estjustifiée
par son excellent accordavec les données
magnétiques.
La courbe de la variation de l’activité durant
l’an-née polaire
aurorale est donnée sur lafigure
15,
com-Fig.15.
parativement
avec les activités solaire etmagnétique
au
Scoresby
Sund durant la mêmepériode.
Lespar-ties
manquantes
de la courbecorrespondent
auxpé-riodes
pendant lesquelles
les observations étaientren-dues
impossibles
par les conditionsmétéorologiques
défavorables(tourmentes
deneige).
On voit tout d’abord que, ainsi
qu’il
a été ditplus
haut,
l’aurore est unphénomène
permanent,
l’activité ne s’étant annulée que deux fois au début de févrierCes deux
périodes
de « calme auroral » ontcoïncidé,
comme on le
voit,
avec despériodes
de calmemagné-tique complet,
la variation diurne des élémentsma-gnétiques
étant alors elle même insensible. On voitaussi, qu’étant
donné leurcaractère,
les courbesd’ac-tivité aurorale et
magnétique
concordent d’unema-nière
remarquable,
ayant
étéétablies,
bienentendu,
tout à fait
indépendamment
l’une de l’autre. Ceciprouve, une fois de
plus,
la relation étroiteexistant,
dans lesrégions polaires,
entre lesperturbations
auro-rares et