Quand le ciel nocturne se met au vert

La couleur verte est la plus répandue sur le sol terrestre en raison de la présence massive des végétaux contenant des chlorophylles. En revanche, elle n’apparaît jamais dans le ciel durant la journée, à l’exception du furtif rayon vert, clin d’œil du Soleil avant qu’il ne disparaisse sous l’horizon. Et dans le ciel nocturne ? Des lumières vertes nous parviennent en maintes occasions : les aurores polaires (Fig. 1), les lueurs du ciel nocturne (en anglais airglow), certains météores, la chevelure de certaines comètes. Voyons d’où viennent ces lumières.

Fig. 1. Cette magnifique aurore boréale verte au-dessus d’une forêt suédoise a une forme surprenante. Certains y voient la silhouette d’une baleine. Crédit: Göran Strand / Apod NASA

L’oxygène atomique : émetteur de lumière verte

Chacun sait que l’oxygène que nous respirons est sous forme de dioxygène O2. Cette molécule est susceptible de se dissocier en deux atomes d’oxygène lorsqu’on lui fournit une forte quantité d’énergie. Ainsi, un rayonnement de haute énergie (UV par exemple), des particules animées d’une vitesse élevée (protons, électrons par exemple), ou une grande quantité de chaleur peuvent conduire à la dissociation. Un autre phénomène intervient également : l’ionisation des atomes d’oxygène par perte d’un électron. Les ions ainsi produits sont dans un état dit excité (du fait de l’énergie acquise). Les recombinaisons ion-électron restituant les atomes O sont suivies d’une libération du surplus d’énergie (désexcitation), ce qui s’accompagne d’une émission de lumière appelée luminescence.1 Dans le domaine visible, les atomes d’oxygène sont susceptibles d’émettre dans le vert (557,7 nm) et le rouge (630 nm).2

Ainsi s’explique la lumière verte que l’on observe dans les aurores polaires, les lueurs nocturnes, et les traînées persistantes des météores. Toutefois, le mode de production d’atomes d’oxygène diffère selon les cas. Quelques précisions sur chacun d’eux sont donc nécessaires, après avoir remarqué que l’oxygène est majoritairement présent sous forme de dioxygène jusqu’à une altitude d’environ 250 km.3 Au-delà, l’oxygène atomique devient majoritaire du fait de la dissociation du dioxygène par les UV extrêmes venant du Soleil.

• Aurores polaires

Les aurores polaires apparaissent à des altitudes entre 100 et 300 km où les particules chargées constituant le vent solaire (électrons et protons) issu des éruptions solaires entrent en collisions avec des molécules de dioxygène et provoquent leur dissociation et l’ionisation des atomes d’oxygène produits.4 Les aurores vertes sont les plus fréquentes (Figs. 1 et 2). Des aurores rouges sont également visibles, mais à une altitude supérieure2. Cependant, la lumière rouge ne provient pas seulement des atomes d’oxygène mais aussi du diazote N2.

Fig. 2. Aurore boréale vue de la station spatiale internationale. La luminescence de l’oxygène atomique est à l’origine de la couleur verte. Crédit : NASA-Don Pettit / Wikimedia Commons

• Airglows

À des altitudes supérieures à une centaine de kilomètres, les rayons ultraviolets extrêmes du Soleil apportent l’énergie nécessaire pour que des réactions photochimiques entre les espèces présentes se produisent : O2, N2, OH, O, sodium. L’émission de lumière qui résulte de ces réactions est donc de la chimiluminescence (production de lumière lors d’une réaction chimique).1 Parmi ces réactions, celle qui produit l’émission la plus intense implique les atomes d’oxygène présents à une altitude comprise entre 90 et 100 kilomètres. L’émission est ainsi principalement verte mais une émission plus faible dans le rouge est également observable à une altitude supérieure.2

Contrairement aux aurores polaires, les airglows verts (et rouges) s’observent partout dans le monde mais leur intensité est beaucoup plus faible. Ils ne sont pas visibles à l’œil nu car à faible intensité, nous ne percevons pas les couleurs. Ils peuvent néanmoins être photographiées avec un long temps de pose (Fig. 3). Le lieu d’observation idéal est bien sûr la station spatiale internationale (Fig. 4).

Fig. 3. Airglow au-dessus des Rocheuses canadiennes. Photo prise depuis le parc national de Banff. Crédit : Yuri Beletsky / Apod NASA

Fig. 4. Airglow photographié en 2011 depuis l’ISS, à près de 400 kilomètres d’altitude. La lueur verte est due à l’émission par des atomes d’oxygène, et la lueur jaune-orangé vient des atomes de sodium. Crédit : ESA

• Traînées persistantes de certains météores

La plupart des météores apparaissent aux altitudes de 80 à 110 km où la densité de l’air est suffisante pour que sa compression provoque un échauffement du météoroïde (fragment de comète ou d’astéroïde) jusqu'à des températures de plusieurs milliers de degrés (jusqu’à 4 000 K). L’échauffement est tel qu’il se forme un plasma, c’est-à-dire un mélange d’ions, d’électrons et de molécules neutres. Dans ce plasma, le dioxygène est dissocié et les atomes d’oxygène sont ionisés, d’où une émission dans le vert par ces derniers, souvent visible dans la traînée lumineuse (Fig. 5).5 Mais attention, la couleur verte d’un météore peut avoir une autre origine. Voyons laquelle.

Fig. 5. Un météore vert (Perséide) photographié en Chine en 2018. Sa traînée a persisté pendant 30 minutes. Crédit : Dandan Huang / Apod NASA

Autres émissions vertes par les météores : le magnésium et le fer

Dans le plasma produit lors de l’entrée d’un météore dans l’atmosphère (voir ci-dessus), les métaux qui ont été vaporisés émettent de la lumière (luminescence) comme ils le feraient dans n’importe quelle flamme.1 En particulier, la couleur verte intense (Fig. 5) est généralement le signe d’une composition riche en magnésium.5 La présence de fer (sous forme d’alliage fer-nickel) conduit également à une luminescence verte (Fig. 6). D’autres métaux présents émettent dans le jaune-orangé (sodium), le bleu (fer, chrome), etc.5

Fig. 6. Spectres typiques de météores montrant que le magnésium et le fer sont à l’origine d’une émission dans le vert. De haut en bas : météoroïde jeune, météoroïde vieux, météoroïde pierreux ferrifère. Versions colorisées réalisées par Bill Ward en 2017. Source : popastro.com

Des comètes aux cheveux verts

La chevelure (ou la coma) d’une comète est l'enveloppe nébuleuse autour du noyau constitué de glaces, de poussières et de particules rocheuses agglomérées. D’ailleurs, le mot comète vient du latin coma, « chevelure », et du grec comêtes astêr, « astre chevelu ». La chevelure se forme quand la surface de la comète s’échauffe fortement lors du passage de cette dernière près du Soleil. Les constituants des glaces se subliment (c’est-à-dire passent directement de l’état solide à l’état gazeux) entraînant avec elles des poussières. La lumière qui provient d’une comète est constituée, d’une part, de la lumière solaire réfléchie par les poussières, et d’autre part, d’une émission de lumière par les constituants gazeux consécutivement à l’absorption des rayons ultraviolets du Soleil (photoluminescence).

Les couleurs des chevelures et des queues des comètes ont fait l’objet d’un précédent billet.6 La chevelure est souvent verte (et rarement bleue). Les comètes Lovejoy et SWAN en offrent deux beaux exemples (Fig. 7).

Fig. 7. Les comètes C/2014 Q2 (Lovejoy) (à gauche) et C/2020 F8 (SWANN) (à droite) ont été découvertes respectivement en 2014 et 2020. Crédits : John Vermette / Wikimedia Commons et Christian Gloor / Wikimedia Commons

Le spectre de la comète Lovejoy7 révèle que la couleur verte vient majoritairement de l’émission par le dicarbone C2. Ce dernier est en effet à l’origine de bandes d’émission situées dans le vert et le bleu, d’où la couleur vert turquoise.8 On remarque en outre une faible contribution de NH2 (dans le vert) et C3 (dans le bleu), ainsi qu’une raie verte correspondant à l’oxygène monoatomique provenant de la photodissociation de l’eau à l’état vapeur.6 Une étude récente a montré que les phénomènes impliqués dans l’émission par C2 étaient plus complexes que ce que l’on croyait auparavant. En particulier, la photodissociation de C2, c’est-à-dire la rupture de la quadruple liaison par absorption de la lumière du Soleil, requiert l’absorption successive de deux photons.9

En conclusion, les lumières vertes venant des aurores, des airglows et des météores apparaissent dans la haute atmosphère, et proviennent le plus souvent de l’oxygène monoatomique produit par la dissociation du dioxygène. Cependant, des métaux interviennent également dans l’émission verte des météores. Quant à l’émission par les comètes, à une distance ne dépassant pas quelques UA (unité astronomique : distance Terre-Soleil), elle a essentiellement pour origine le dicarbone C2.

Peut-on voir des lumières vertes au-delà du système solaire ? Pourquoi ne voyons-nous pas d’étoiles vertes ? Pourtant de rares galaxies nous apparaissent vertes ! D’où vient leur émission ? Réponses dans le prochain billet.

Références et notes

1B. Valeur, Lumière et luminescence. Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin, 2017 (2e éd.).

2 Les émissions dans le vert et dans le rouge résultent de la désexcitation de deux espèces différentes de l’oxygène : O(1S) (557,7 nm) et O(1D) (630 nm). Ces espèces excitées ont des durées de vie différentes (la durée de vie est la durée moyenne de séjour dans l’état excité). Plus la durée de vie est longue, plus la probabilité de désexcitation par collision (donc sans émission de lumière) avec des espèces présentes est forte (processus appelé “quenching”). Or, O(1D) a une durée de vie plus longue que celle de O(1S). Donc, à altitudes équivalentes, il est plus probable d’observer l’émission de O(1S) que celle de O(1D). En effet, l'émission dans le rouge n’est observée qu’à une altitude suffisamment élevée pour que la probabilité de collision y soit plus faible, l’air se raréfiant avec l’altitude. De plus, l’intensité est plus faible dans le rouge du fait de la diminution de la densité d’oxygène quand l’altitude augmente. C’est ce qu’on observe aussi bien dans les aurores que dans les airglows.

3J. Lilensten, “La haute atmosphère”, Encyclopédie de l’environnement, 2018.

4Rappelons brièvement comment les aurores polaires se forment (voir réf. 1). Les éruptions solaires projettent dans l’espace des particules chargées (protons et électrons) à la vitesse de 600 km/s. Au bout de quelques dizaines d’heures, ces particules constituant le vent solaire atteignent la Terre. Le champ magnétique terrestre arrête ces particules tel un bouclier, sauf au voisinage des pôles Nord et Sud où elles sont guidées le long des lignes du champ magnétique terrestre. Une petite proportion d’entre elles entre dans la région nommée magnétosphère, située derrière ce bouclier, et s’accumulent du côté de la magnétosphère surplombant le ciel nocturne de la Terre, à quelques milliers de kilomètres d’altitude. Le « réservoir » se remplit, et lorsqu’il est saturé, les particules accumulées sont libérées et accélérées, allant soit vers l’espace, soit vers la Terre. Ce phénomène se produit plusieurs fois par jour.

5Voir le billet du 16.04.2022, “D’où viennent les diverses couleurs des météores ?”.

6Voir le billet du 13.6.2020, “Gros plan sur la comète : cheveux verts et panache bleu”.

7P. Berardi, “Spectroscopy of comet 2014/Q2 (Lovejoy)”, ARAS Eruptive Stars Information Letter n° 15 #2015‐03 31‐03‐2015, pp. 43-55. Article consultable ici.

8Le dicarbone C2 existent également dans les flammes de combustion des hydrocarbures. C’est ainsi que leurs raies d’émission furent découvertes en 1856 par William Swan, et portent désormais son nom. Leur observation dans le spectre de deux comètes remonte aux années 1860.

9J. Borsovsky et al., “Photodissociation of dicarbon: How nature breaks an unusual multiple bond ?”, PNAS, vol. 118(52), e2113315118, 2021. https://doi.org/10.1073/pnas.2113315118

 

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