La magnétosphère

La Terre, comme les autres planètes du système solaire, comme le Soleil -et même comme les galaxies- est entourée d'un vaste champ magnétique, la magnétosphère. La magnétosphère est une vaste zone, en forme de queue de comète qui commence du côté de la Terre exposé à l'influence solaire et qui s'étend de l'autre côté de la Terre. Techniquement, la magnétosphère est l'expression dans l'espace du champ magnétique terrestre. Le champ magnétique de la Terre est un aimant bipôle gigantesque, dont l'axe est légèrement différent de celui de l'axe des pôles (cette différence fait que les pôles magnétiques de la Terre ne sont pas situés aux pôles géographiques). C'est le champ magnétique terrestre qui agit sur l'aiguille d'une boussole. Les lignes du champ magnétique terrestre entourent l'espace proche de la Terre

La magnétosphère de la Terre est déterminée, "sculptée", par le vent solaire: du côté faisant face au Soleil, le vent solaire compresse la magnétosphère; du côté opposé, il détermine la forme en forme de queue de comète. Le vent solaire peut être défini comme un plasma de ions qui émane du Soleil et qui emporte avec lui les lignes du champ magnétique solaire. Du côté exposé au Soleil, le vent solaire atteint la magnétosphère au "front de choc" ou "onde de choc". C'est là où le champ magnétique terrestre dévie abruptement les particules solaires et le champ magnétique du Soleil. Cette partie comprimée de la magnétosphère a une dimension d'à peu près 6 à 10 rayons terrestres. Cette rencontre entre le vent solaire et le champ magnétique terrestre génère des booms supersoniques! Deux "entonnoirs" situés le long de l'axe de la magnétosphère permettent au vent solaire d'atteindre la haute atmosphère terrestre. L'aspect en queue de comète de la magnétosphère s'étend jusqu'à 1000 fois le rayon de la Terre. Certaines particules qui réussissent à s'infiltrer de ce côté là de la magnétosphère forme ce que l'on appelle la "feuille de plasma" ("plasmasheet" en anglais). La "feuille neutre" ("neutral sheet") se trouve en son milieu (c'est là où les parties nord et sud du champ magnétique terrestre s'annulent). De chaque côté de la feuille de plasma, on trouve des "lobes" ou "magnetosheath". La frontière entre la magnétosphère et l'espace interplanétaire s'appelle la "magnétopause"

Reliés au bouclier protecteur de la Terre qu'est la magnétosphère se trouvent une partie de l'atmosphère terrestre, d'une part et, d'autre part, les célèbres "ceintures de Van Allen". L'ionosphère, comme on le sait, est une couche de l'atmosphère terrestre qui est emplie de particules chargées électriquement. Une partie des ces particules ionisées passent dans la "plasmasphère". La plasmasphère est une zone sphérique, laquelle est plus réellement partie prenante de la magnétosphère. C'est dans la plasmasphère que l'on trouve les ceintures de Van Allen: les ceintures de Van Allen sont des zones circulaires de particules chargées. La ceinture intérieure est formée de protons à haute éenergie qui résultent du choc des rayons cosmiques sur la haute atmosphère; la ceinture extérieure est formée d'électrons de haute énergie qui sont produits à la fois par les rayons cosmiques et par les phénomènes d'accélération qu'engendre la magnétosphère.

Des évènements puissants ont lieu dans les ceintures de Van Allen
Un saut d'activité fortuit des ceintures de Van Allen alors que les satellites solaires s'y trouvaient, a permis de découvrir que les ondes radio -que l'on appelle des "whistlers" ("siffleurs", littéralement, en anglais)- et qui y accélèrent les électrons jusqu'à 99% de la vitesse de la lumière le font en juste une fraction de seconde au lieu des minutes ou des dizaines d'heures que l'on pensait que le phénomène prenait jusque là

La magnétosphere, une fois sa structure définie, est également un milieu dynamique qui est lieu au vent solaire, particulièrement aux éruptions solaires. De tels évènements peuvent amener à ce que la partie extérieure de la magnétosphère, du côté où s'étend la queue magnétique, peut se voir "trouée" et le vent solaire et les lignes magnétiques du Soleil y entrer et y casser les lignes du champ magnétique terrestre. S'ensuivent des lignes magnétiques mélangées -solaire/terrestre- qui s'écoulent dans la queue de la magnétosphère, et qui y compressentla feuille de plasma de part et d'autre. Les lignes du champ magnétique terrestre finissent par se "reconnecter", c'est à dire, en termes scientifiques, subissent un phénomène de "reconnexion": elles reviennent brutalement au champ magnétique terrestre! Dans le processus, elles portent avec elles des particules du vent solaire, lesquelles, par le biais des "entonnoirs" polaires, atteignent la haute atmosphère et elles donnent naissance aux aurores, par le biais d'un "ovale auroral". Les sursauts soudains, puissants, de luminosité des aurores et l'accroissement de leur dynamisme s'appellent des "sous-tempêtes" ("substorms" en anglais). Le mécanisme des substorms est encore mal compris. Ce qui est sûr, c'est que les "sous-tempêtes" ont leur origine dans la queue de la magnétosphère lorsqu'un accroissement de l'activité solaire et des particules solaires fait que celles-ci pénètrent en retour dans les régions nord de la Terre. Sur un autre plan, la magnétosphère expulse dans l'espace, du côté de sa queue une bulle de plasma solaire. L'influence solaire, cependant -et les aurores- peuvent avoir leur origine directe du côté de la magnétosphère qui fait face au Soleil: les lignes des champs magnétiques terrestre et solaire se connectent et elles génèrent des "cracks" (des "fissures"), des "trous" dans la magnétosphère. Le vent solaire y entre et, en suivant les lignes magnétiques, il atteint les entonnoirs polaires et y produit des aurores. Des études récentes montrent que de telles fissures peuvent durer jusqu'à 9 heures
Une activité solaire majeure, à l'automne 2003, par ailleurs, a montré comment de forts courants solaires peuvent avoir de l'influence sur notre magnétosphère: la plasmasphère de la Terre, en effet, a alors été littéralement "soufflée", par les pôles magnétiques, jusqu'à la magnétopause. Une nouvelle ceinture de radiations s'est même formée à la place de la magnétosphère, durant plus de 5 semaines et ensuite absorbée par l'atmosphère terrestre ou évacuée naturellement

Des plumes ioniques créées dans la ionosphère comme sous-produits des tempêtes géo-magnétiques
La ionosphère, lorsqu'une éjection coronale de masse du Soleil frappe le champ magnétique solaire, voit se développer et persister des "plumes ioniques", a-t'on découvert récemment. Ces effets influent sur les GPS, les transmissions radio et les communications radio et à bord des avions. Ces plumes sont constituées d'air ionisé -de l'air avec un surplus de densité d'électrons- aux hautes altitudes et elles se déplacent aux alentours de 1400 km/h (1 km/s) (2200 miles/h; 1 km/s). Elles pourraient avoir leur origine là où les effets de l'éjection coronale de masse se font sentir près de l'équateur magnétique -essentiellement au-dessus de l'Afrique. Ces plumes se formant dans l'ionosphère, elles peuvent également atteindre en retour jusqu'à l'espace extérieur à l'ionosphère

Pour ce qui est des origines du champ magnétique terrestre, on pense qu'il est dû à l'interaction entre les deux parties du coeur terrestre: un coeur liquide, en effet, existe autour d'un noyau central solide et l'interaction entre les deux génère un phénomène de dynamo électrique. Le champ magnétique terrestre est un système vivant: son axe, par exemple, varie et, en conséquence, les pôles magnétiques dérivent. Le pôle nord magnétique, ainsi, passe lentement du Canada à la Sibérie. Un autre phénomène dynamique majeur du champ magnétique est l'inversion du champ qu'il subit tous les 300 000 ans, le pôle nord du champ magnétique devenant le pôle sud, et réciproquement! La dernière inversion du champ magnétique a lieu il y a 780 000 ans. Les inversions n'ont pas lieu brutalement mais sur le cours de quelques milliers d'années. Pendant une telle phase d'évolution, le champ magnétique de la Terre ne présente plus son aspect classique d'aimant mais il devient emmêlé et compliqué, les pôles magnétiques pouvant se situer n'importe où à la surface de la Terre et il peut même y avoir plus de deux pôles magnétiques. La magnétosphère terrestre est bien entendu modifiée en cas d'inversion du champ magnétique mais, cependant, elle ne disparaît pas et elle continue de protéger la Terre. On a constaté, depuis le XIXème siècle, que le champ magnétique terrestre avait diminué de 10%. Il faut cependant placer ce déclin en perspective (de nos jours, par exemple, le champ magnétique est deux fois plus puissant que la normale). Les scientifiques pensent que ce déclin, d'autre part, serait plutôt le signe que le champ magnétique est est au début de ce qu'on appelle une "excursion magnétique", un tel phénomène voyant le champ, sur une période de 400 ans, enchaîner rapidement des inversions

Le satellite Themis comprend mieux les sous-tempêtes géo-magnétiques et les aurores
La mission Themis, consacrée à l'étude des aurores, a montré récemment que les sous-tempêtes gé-magnétiques et les aurores pourraient bien être déclenchées par des "cordes magnétiques" ("magnetic ropes" en anglais) qui relient directement le Soleil à la magnétopause, 64000 km (40000 miles) au-dessus de la Terre. De tels liens directs semblent se produire à n'importe quel moment, se formant et se défaisant en seulement quelques minutes. Ce bref laps de temps n'empêche cependant pas que s'établissent un liant significatif entre le Soleil et la magnétosphère. Un autre phénomène surprenant est que le vent solaire est quelquefois affecté de "noeuds magnétiques". Quand ces noeuds atteignent l'onde de choc de la magnétosphère, il se produit une explosion, laquelle augmente brutalement la température des particules du vent solaire (d'une valeur de 10 fois), jusqu'à des valeurs de l'ordre de 10 millions de degrés. Ce phénomène, que l'on appelle une "anomalie de flux chaud" ("hot flow anomaly" en anglais, "HFA") ne joue cependant pas de rôle significatif dans les tempêtes magnétiques car ils sont trop peu fréquents

La plasmasphère, le facteur essentiel de la magnétosphère au cours des super-tempêtes solaires!
Des études récentes (2008) montrent que ce sont les protons de la plasmasphère qui jouent le rôle majeur vis-à-vis de la magnétosphère pendant les super-tempêtes solaires. La plasmaspère, en effet, est compressée par le vent solaire et elle forme une longue queue -appelée la "plume plasmasphérique", au sein de laquelle les protons sont énergisés encore plus par le vent solaire. Lorsque les protons reviennent dans la magnétosphère, ils en deviennent le facteur essentiel pour ce qui est de la forme de la magnétosphère pendant ces tempêtes solaires