I N S T I T U T D ' A E R O N O M I E S P A T I A L E D E B E L G I Q U E
3 - Avenue Circulaire B - 1180 B R U X E L L E S
A E R O N O M I C A A C T A
A - N° 216 - 1980
La Magnétosphère par
J. LEMAIRE
B E L G I S C H I N S T I T U U T V O O R R U I M T E - A E R O N O M I E 3 - Ringlaan
B • 1180 BRUSSEL
A V A N T - P R O P O S
L'article "La Magnétosphère" est le texte de la conférence que l'auteur a donnée au Planétarium de Bruxelles le 22 novembre 1979
FOREWORD
The paper "La Magnetosphere" has been presented at the Planetarium of Brussels, 22th November 1979.
VOORWOORD
Het artikel "La Magnétosphère" is de tekst van een voor- dracht gegeven door de auteur op 22 november 1979, in het Planetarium te Brussel.
VORWORT
Das Artikel "La Magnetosphere" is der Text einen Vortrages der im Planetarium in Brüssel am 22n November 1979 geben worden ist.
LA M A G N E T O S P H E R E
par
J. L E M A I R E
Résumé
La Magnétosphère est la région englobant toutes les lignes de force magnétiques de la Terre. Le vent solaire formé d ' h y d r o g è n e ionisé et continuellement éjecté par le Soleil, interagit avec le champ géo- magnétique. Il est dévié latéralement autour de la cavité magnéto- sphérique de la même manière q u ' u n vent supersonique est dévié autour d ' u n objet solide.
La frontière de la magnétosphère s'appelle la "magnétopause".
Celle-ci se situe à une distance radiale d ' e n v i r o n dix rayons terrestres à l'avant de la T e r r e en direction du Soleil. La surface de la magnéto- pause s'étire à plusieurs milliers de rayons terrestres dans la direction d'écoulement du Vent Solaire.
Bien que les aurores boréales ont manifesté aux hommes l'existence d'une magnétosphère depuis la plus haute antiquité, il a fallu les développements technologiques des vingt dernières années pour réellement découvrir les propriétés générales et les multiples zones de la Magnétosphère terrestre. Ces propriétés et les nombreuses régions de la Magnétosphère sont décrites dans le texte, en parcourant les sentiers de l'Histoire qui ont conduits à leur découverte.
Abstract
The Magnetosphere is the region containing all magnetic field lines anchored in the Earth. The Solar Wind formed of fully ionized Hydrogen and continuously emitted by the Sun, interacts with the geo- magnetic field. It is deflected around the magnetospheric cavity like an air flow around a solid object. The boundary of the magnetosphere is called "The magnetopause". It is located at a distance of about ten earth radii in the direction of the Sun. The surface of the magneto- pause extends several thousand of earth radii in the solar wind flow direction. Although aurorae borealis are known since a long time, it became clear only since less than twenty years that these natural phenomenas are' optical proves of the existence of a terrestrial magneto- sphere. The general properties and many different regions of the magnetosphere are described in the manuscript.
- 2 -
S a m e n v a t t i n g
De m a g n e t o s f e e r is h e t g e b i e d d a t alle m a g n e t i s c h e v e l d l i j n e n b e v a t d i e v e r b o n d e n z i j n met de A a r d e . De Z o n n e w i n d die b e s t a a t u i t g e ï o n i s e e r d e w a t e r s t o f i o n e n , c o n t i n u e u i t g e z o n d e n d o o r de Z o n , i n t e r a g e e r d met het g e o m a g n e t i s c h e v e l d , en w o r d t r o n d o m de m a g n e t o - s f e r i s c h e c a v i t e i t a f g e l e i d zoals een l u c h t s t r o o m r o n d o m een v a s t v o o r w e r p . De g r e n s l a a g v a n de m a g n e t o s f e e r w o r d t m a g n e t o p a u z e g e n o e m d , en b e v i n d t z i c h op o n g e v e e r 10 a a r d s t r a l e n in de r i c h t i n g v a n de z o n . In de t e g e n o v e r g e s t e l d e r i c h t i n g s t r e k t de m a g n e t o p a u z e z i c h u i t o v e r m e e r d e r e d u i z e n d e n a a r d s t r a l e n . A l h o e w e l h e t N o o r d e r l i c h t r e e d s s i n d s l a n g g e k e n d i s , weet men s l e c h t s s i n d s o n g e v e e r t w i n t i g j a r e n d a t d i t n a t u u r l i j k v e r s c h i j n s e l een o p t i s c h b e w i j s is v a n het b e s t a a n v a n de a a r d s e m a g n e t o s f e e r .
De v o o r n a a m s t e e i g e n s c h a p p e n en de v e r s c h i l l e n d e g e b i e d e n in de m a g n e t o s f e e r w o r d e n in de t e k s t b e s c h r e v e n .
- 3 -
Zusamenfassung
Die Magnetosphäre der Erde is die Region die die Linen des magnetischen Feld enthält. Der Sonnen Wind der aus die Sonnen Corona fliesst, interagiert mit das geomagnetisches Feld der Erde. Dieser Plasmafluss wird entlangs der Grenze der Magnetosphäre abgelänkt.
Diese Oberfläche nennt man die Magnetopause. Die Magnetopause liegt ungefähr zehn Erde-radien in der Richtung der Sonne entfernt und zieht sieht einige tausend Erde-radien in der Richtung des Sonnen Wind weck. Das Nordlichlicht ist die erste Erscheinung der Magnetosphäre die der Mensch sehen könnte. Aber wir haben die meisten Erforschungen und Kenntnisse über die Magnetosphäre während die 20 letzten Jahren erhalten. Die verschiedenen Teile und Eigenschaften dieser Magneto- sphäre sind in diesem T e x t beschrieben worden.
- 4 -
I N T R O D U C T I O N
Vers 1960 a p p a r u t une nouvelle catégorie de g é o p h y s i c i e n s q u i f o r g è r e n t le vocable " m a g n é t o s p h è r e " p o u r s i t u e r l'objet de l e u r s r e c h e r c h e s .
On p e u t d é f i n i r la magnétosphère comme l'espace dans lequel le champ magnétique t e r r e s t r e d é t e r m i n e et i n f l u e n c e la d i s t r i b u t i o n de la matière ionisée c'est à d i r e le plasma q u i e n t o u r e la T e r r é .
Pour p r é c i s e r les limites et les c a r a c t é r i s t i q u e s de cette r é g i o n de n o t r e e n v i r o n n e m e n t , il est i n t é r e s s a n t de s u i v r e l ' h i s t o i r e de la d é c o u v e r t e de la magnélosphèr-e de n o t r e p l a n è t e .
AURORES BOREALES : PHENOMENES MAGNETOSPHERIQUES
La plus ancienne p r e u v e de l ' e x i s t e n c e de la m a g n é t o s p h è r e de la T e r r e est i n d u b i t a b l e m e n t l ' a u r o r e boréale. Les a u r o r e s boréales sont des l u e u r s colorées et mouvantes é c l a i r a n t le ciel du G r a n d N o r d . Ces météores lumineux se m a n i f e s t e n t p r i n c i p a l e m e n t dans deux r é g i o n s a u r o r a l e s e n t o u r a n t les pôles géomagnétiques N o r d et S u d . Ces r é g i o n s a n n u l a i r e s que l'on appelle aussi les ovals a u r o r a u x se s i t u e n t a p p r o x i m a t i v e m e n t e n t r e les l a t i t u d e s géomagnétiques de 65° et 70°.
On r e m a r q u a t r è s t ô t que la position moyenne et. la f r é q u e n c e d ' a p p a r i t i o n des a u r o r e s boréales et a u s t r a l e s d é p e n d e n t de l ' a c t i v i t é solaire. L o r s q u e le soleil est calme, c'est à d i r e l o r s q u ' i l y a peu de taches à sa s u r f a c e , les régions a u r o r a l e s se r a p p r o c h e n t des pôles m a g n é t i q u e s . Par c o n t r e , l o r s q u e l ' a c t i v i t é solaire est maximale, il est possible d ' o b s e r v e r des a u r o r e s boréales même à nos l a t i t u d e s (45° - 5 0 ° ) . Cette lumière q u i a i n s p i r é t a n t de légendes dans les pays n o r d i q u e s , est p r o d u i t e par des é l e c t r o n s s ' é c h a p p a n t de la magnéto-
s p h è r e et s p i r a l a n t le long des lignes de force d u champ geomagnétique.
L o r s q u e ces électrons pénètrent d a n s les couches d e n s e s de l'atmo- s p h è r e t e r r e s t r e , ils ionisent et excitent d e s atomes et des molécules situés entre 300 km et 100 km d ' a l t i t u d e . En retombant au niveau fondamental, les atomes d ' o x y g è n e , les molécules N^ et les ions +
0 0 émettent des p h o t o n s à différentes l o n g u e u r s d ' o n d e (5577 A , 6300 A , 6363 Â ou 3914 A ) , ce qui d o n n e les colorations v e r t e s , bleues, r o u g e s ou violettes aux a u r o r e s boréales et a u s t r a l e s .
D e p u i s l ' A n t i q u i t é , l'homme, en r e g a r d a n t ces spectaculaires illuminations naturelles, o b s e r v a i t ce que n o u s s a v o n s être à présent une manifestation directe de la m a g n é t o s p h è r e t e r r e s t r e .
LE M A G N E T I S M E T E R R E S T R E
La relation e x i s t a n t entre les a u r o r e s et le magnétisme t e r r e s t r e est connue d e p u i s p l u s d ' u n siècle et demi. En effet, d a n s son livre de " P H Y S I Q U E E X P E R I M E N T A L E " , le p h y s i c i e n f r a n ç a i s B I O T écrivait en 1817 : " D e s o b s e r v a t i o n s multipliées p r o u v e n t que l'aiguille aimantée est sujette à des v a r i a t i o n s b r u s q u e s qui coïncident avec des a p p a r i t i o n s du météore lumineux que l'on appelle a u r o r e boréale. O n i g n o r e absolument la cause de cette c o r r e s p o n d a n c e a u s s i bien que celle de l ' a u r o r e boréale elle-même".
D e p u i s 1600,- on sait que le globe t e r r e s t r e est un g i g a n t e s q u e aimant. En effet, à cette époque, W. G I L B E R T écrivit d a n s son livre " D E M A G N E T E " : " M a g n u s magnes ipse est g l o b u s t e r r e s t r i s " . Les lignes de force magnétique de cet aimant sont celles d ' u n dipole telles celles représentées d a n s la f i g u r e 1. O n peut donc d i r e que c'est v e r s cette époque que naquit une nouvelle Science de la T e r r e : le G E O M A G N E T I S M E .
F i g . 1 . - D i s t r i b u t i o n de lignes de force magnétique dipolaire enveloppant le globe t e r r e s t r e .
La première carte des déclinaisons géomagnétiques fut d r e s s é e par Ed. Halley en 1700. D e p u i s lors, on développera des cartes géo- magnétiques de p l u s en p l u s p r é c i s e s , qui s e r v i r o n t à l'orientation des n a v i g a t e u r s en mer et des e x p l o r a t e u r s s u r t e r r e .
O n mit rapidement en évidence des écarts au champ dipolaire général de la T e r r e . C e s anomalies magnétiques sont associées à des inhomogénéités de t e r r a i n s , à des phénomènes g é o l o g i q u e s et à des c o u r a n t s électriques circulant d a n s l ' i o n o s p h è r e ainsi que d a n s le sol lui-même.
Une variation d i u r n e d u champ magnétique fut également mise en évidence. C e s changements d ' i n t e n s i t é et de déclinaison du champ magnétique t e r r e s t r e f u r e n t e x p l i q u é s par l'effet des marées atmo- s p h é r i q u e s solaires i n d u i s a n t un système de c o u r a n t s électriques à 110 km d'altitude d a n s la région E de l ' i o n o s p h è r e . O n notera ainsi que l'amplitude de cette variation d i u r n e du champ géomagnétique ne dépend pas seulement de la latitude et de la longitude de l ' o b s e r v a t i o n t e r r e s t r e , mais d é p e n d des s a i s o n s , de la phase de la L u n e et de
l'activité solaire.
O R A G E G E O M Â G N E T I Q U E P R O D U I T P A R UN C O U R A N T A N N U L A I R E
Les v a r i a t i o n s géomagnétiques t r a n s i t o i r e s f u r e n t d é c o u v e r t e s en 1722 par Graham, en o b s e r v a n t au microscope les faibles mouvements d ' u n e boussole. C e s v a r i a t i o n s magnétiques n o n - p é r i o d i q u e s q u ' o n appelera " o r a g e s m a g n é t i q u e s " , sont directement liées à l'activité solaire; leur f r é q u e n c e est d ' a u t a n t plus g r a n d e que le soleil est actif.
C h a p m a n et F e r r a r o s u g g è r e n t en 1930 que ces manifestations sont d u e s à l'interaction entre le champ géomagnétique et des particules ionisées éjectées sporadiquement par des centres actifs à la s u r f a c e d u
Soleil. Ces nuages de gaz ionisés préfigurent ce qu'en 1959 Parker appelera le "vent solaire". Ils exercent une pression sur le champ géomagnétique. Cette compression du champ géomagnétique par des bouffées de plasma solaire produit l'augmentation brusque de la composante horizontale du champ magnétique terrestre au début des orages magnétiques. Suite à cette phase de compression, il se produit une diminution de plusieurs centaines de Gammas dans l'intensité du
-5 -9
champ magnétique (1 y = 10 Gauss = 10 Tesla; l'intensite du champ magnétique à l'équateur est égale à 31000 y). Cette catastrophique dépression du champ géomagnétique est due à la formation d'un gigantesque courant annulaire circulant à 5 - 6 rayons terrestres au voisinage du plan équatorial.
Au cours de la phase de recouvrement d'un orage magnétique, l'intensité totale de ce courant annulaire décroit progressivement sur une période de deux à trois jours. L'effet magnétique d'un tel courant annulaire fut reconnu dès le début du siècle. L'existence d'un courant annulaire transitoire fut confirmée après 1958 grâce aux observations par satellites artificiels.
Suite aux travaux de Stôrmer et de Lemaître sur les
trajectoires de particules chargées dans un champ magnétique dipolaire,
on imagina d'abord que cet anneau de courant électrique était formé par
les particules chargées du rayonnement cosmique. Ces particules de
haute énergie, découvertes au cours des années 30, effectuent des
trajectoires très complexes dans le champ magnétique dipolaire de la
Terre. Cependant, les particules chargées du rayonnement cosmique
dont les énergies dépassent plusieurs centaines de millions d'Electron -9 -3
Volts, ont des flux et des densités très faibles (10 cm c'est a dire
1 particule dans un cube de 10 x 10 x 10m). Le courant annulaire
qu'elles engendrent est beaucoup trop faible pour expliquer les
variations du champ observées au cours de la phase principale d'un
orage magnétique.
En 1957, S i n g e r s u g g è r e que le c o u r a n t a n n u l a i r e est formé d ' i o n s et d ' é l e c t r o n s d ' é n e r g i e s beaucoup plus faibles que celles des r a y o n s cosmiques c ' e s t à dire des particules dont le r a y o n de c o u r b u r e de la trajectoire est relativement petit. De telles particules p e u v e n t être piégées d a n s les lignes de force d u champ magnétique et y former une ceinture toroïdale telle que celle d é c o u v e r t e u n peu p l u s t a r d en 1959 par V a n Allen g r â c e a u x compteurs Geiger Muller installés à b o r d du satellite E x p l o r e r 1.
L E S C E I N T U R E S D E V A N A L L E N
Les zones de radiation c o r p u s c u l a i r e d é c o u v e r t e s a l'aide d ' E x p l o r e r 1, sont bien c o n n u e s s o u s le nom de " C e i n t u r e s de radiation de V a n A l l e n " . Les o b s e r v a t i o n s ont montré qu'il existait d e u x c e i n t u r e s ou a n n e a u x au sein desquelles les flux des p r o t o n s et des électrons d ' é n e r g i e sont s u p é r i e u r s à 40 k e V . La f i g u r e 2 montre les c o u r b e s d ' i s o i n t e n s i t é du f l u x des p r o t o n s d ' é n e r g i e comprise entre 40 et 110 M e V . Cette f i g u r e indique que la radiation est concentrée d a n s la région équatoriale. La forme géométrique de ces zones est déterminée par les lignes de force d u champ magnétique dipolaire de la T e r r e . La concentration des p r o t o n s d ' é n e r g i e s u p é r i e u r e à 40 MeV reste toutefois encore trop faible p o u r p r o d u i r e u n c o u r a n t a n n u l a i r e d ' i n t e n s i t é s u f f i s a n t e pour e x p l i q u e r les p e r t u r b a t i o n s e n r e g i s t r é e s lors d ' o r a g e s m a g n é t i q u e s .
Il a fallu attendre la mise en orbite de détecteurs de particules d ' é n e r g i e p l u s faible ( i n f é r i e u r e à 40 k e V ) et la publication des résultats de F r a n k en 1967 p o u r identifier les p r o t o n s et électrons qui c o n t r i b u e n t en majeure partie au c o u r a n t annulaire p r o d u i s a n t les o r a g e s m a g n é t i q u e s . Cette nouvelle population de particules d ' é n e r g i e moyenne (1 - 40 k e V ) est injectée accidentellement au sein de la m a g n é t o s p h è r e lorsque le flux du v e n t solaire s'intensifie et lorsque la
- 1 0 -
PROTONS, AO A 110 MEV
Fig. 2.- Distribution de l'intensité de la radiation corpusculaire mesurée dans les deux ceintures de radiation de Van Allen.
composante N o r d - S u d d u champ m a g n é t i q u e i n t e r p l a n é t a i r e c h a n g e b r u s q u e m e n t de s i g n e .
LE MOUVEMENT DES P A R T I C U L E S CHARGEES DANS LA MAGNETOSPHERE
L o r s q u ' e l l e s s o n t piégées au sein de la m a g n é t o s p h è r e , les p a r t i c u l e s c h a r g é e s e f f e c t u e n t u n m o u v e m e n t de g i r a t i o n t r è s r a p i d e a u t o u r d ' u n c e n t r e de g u i d a g e g l i s s a n t le l o n g d ' u n e l i g n e de f o r c e m a g n é t i q u e ( v o i r f i g u r e 3 ) . Le r a y o n de c o u r b u r e de c e t t e t r a j e c t o i r e est de 400 m p o u r u n é l e c t r o n de 30 k e V , à 6 r a y o n s t e r r e s t r e s d a n s le p l a n é q u a t o r i a l . Ces p a r t i c u l e s se d é p l a c e n t aussi le l o n g des l i g n e s de f o r c e m a g n é t i q u e e n t r e d e u x p o i n t s de r é f l e x i o n s ( p o i n t s m i r o i r s ) . La p é r i o d e d ' o s c i l l a t i o n e n t r e ces p o i n t s m i r o i r s d é p e n d de l ' a n g l e d ' a t t a q u e ( aQ) q u e f a i t la v i t e s s e de la p a r t i c u l e et la d i r e c t i o n d u champ m a g n é t i q u e d a n s le p l a n de l ' é q u a t e u r . Si aQ = 6 ° : la p é r i o d e d ' o s c i l l a t i o n l a t i t u d i n a l e d ' u n é l e c t r o n de 30 keV e s t égale à 2 s e c o n d e s . Comme la p é r i o d e de g i r a t i o n est seulement de 0 , 0 0 0 2 s e c o n d e , on v o i t q u ' i l e f f e c t u e e n v i r o n 10000 g i r a t i o n s de L a r m o r p e n d a n t u n e seule o s c i l l a t i o n e n t r e ses p o i n t s m i r o i r s . La f o r c e c e n t r i f u g e s ' e x e r ç a n t s u r
le c e n t r e de g u i d a g e de l ' é l e c t r o n au c o u r s d ' u n e t e l l e o s c i l l a t i o n a i n s i q u e la f o r c e d u e au g r a d i e n t d u champ m a g n é t i q u e , o n t t o u t e s d e u x p o u r e f f e t d ' i m p r i m e r a u x p a r t i c u l e s c h a r g é e s u n l e n t m o u v e m e n t de d é r i v e a z i m u t a l e . C e t t e d é r i v e s ' e f f e c t u e v e r s l ' O u e s t p o u r les ions p o s i t i f s e t v e r s l ' E s t p o u r les é l e c t r o n s . Un é l e c t r o n de 30 keV s p i r a l a n t le long des l i g n e s de f o r c e d o n t la d i s t a n c e é q u a t o r i a l e est de 6 r a y o n s t e r r e s t r e s , d é r i v e a u t o u r de l ' a x e g é o m a g n é t i q u e avec u n e p é r i o d e d ' e n v i r o n 5 h e u r e s . Un p r o t o n , de 30 keV d ' é n e r g i e , - d é r i v e en sens opposé avec la même p é r i o d e . Les t r o i s t y p e s de mouvement ( g i r a t i o n , o s c i l l a t i o n en l a t i t u d e et d é r i v e en l o n g i t u d e ) s o n t i l l u s t r é s d a n s la f i g u r e 3. Les m o u v e m e n t s de d é r i v e en sens opposés p o u r les é l e c t r o n s et les ions d o n n e n t lieu au c o u r a n t a n n u l a i r e d o n t S i n g e r a v a i t p r é d i t l ' e x i s t e n c e en 1957.
- 1 2 -
POINT
F i g . 3 . - Représentation de lignes de force magnétique dipolaire et les mouvements de particules chargées dans le champ magnétique : giration, oscillation en latitude et dérive en longitude v e r s l'Est pour les électrons, v e r s l'Ouest pour les ions.
L'altitude des points miroirs est d ' a u t a n t p l u s élevée que l'angle d'attaque (otQ) à l'équateur est g r a n d . L o r s q u e l'angle d ' a t t a q u e à l'équateur est situé à l'intérieur du cône de perte ( c n f . fig. 3 ) , la trajectoire de la particule a u r a un point miroir en d e s s o u s de 100 km d'altitude d a n s les couches d e n s e s de l'atmosphère t e r r e s t r e . Cette particule subit alors en général une collision, ce qui l'empêche de remonter ultérieurement v e r s la m a g n é t o s p h è r e . C e s collisions excitent les atomes n e u t r e s de l'atmosphère ce qui e n g e n d r e finalement des phénomènes o p t i q u e s , tels que les a u r o r e s boréales ou la lueur d u ciel n o c t u r n e .
L A F R O N T I E R E D E L A M A G N E T O S P H E R E
L o r s q u ' o n s'éloigne de p l u s en p l u s de la T e r r e , l'intensité d u champ magnétique décroît inversément au cube de la distance radiale.
A u - d e l à de 8 r a y o n s t e r r e s t r e s , des écarts de plus en plus importants à cette loi de variation ont été mis en évidence par les magnétomètres e m b a r q u é s à b o r d de satellites artificiels. L'intensité et la direction d u champ géomagnétique v a r i e n t de p l u s en plus irrégulièrement a u t o u r de la v a l e u r c o r r e s p o n d a n t à une d i s t r i b u t i o n dipolaire comme le montre la f i g u r e 4. Finalement, v e r s 10 r a y o n s t e r r e s t r e s , la direction du champ magnétique c h a n g e b r u s q u e m e n t . O n a alors atteint la magnétopause, c ' e s t - à - d i r e une s u r f a c e de discontinuité séparant d e u x r é g i o n s , d ' u n e p a r t , la région où le plasma est contrôlé par le champ géomagnétique et, d ' a u t r e p a r t , la région où le plasma d u v e n t solaire est contrôlé par le champ magnétique interplanétaire. Finalement, v e r s 13 r a y o n s t e r r e s t r e s , on d é c o u v r i t en 1961 une d e r n i è r e frontière : l'onde de choc m a g n é t o s p h é r i q u e . A u t r a v e r s de cette onde de choc, le v e n t solaire soufflant en direction de la T e r r e avec une v i t e s s e s u p e r s o n i q u e de 400 km/s, est décéléré et comprimé. D a n s la région intermédiaire entre l'onde de choc et la magnétopause, le plasma du vent solaire est dévié latéralement a u t o u r de la m a g n é t o s p h è r e qui se comporte p r e s q u e comme u n obstacle impénétrable au v e n t solaire.
-14-
DISTANCE GEOCENTRIQUE ( R * )
90 H - 9 0 6
06 12 18 DECEMBRE 1,1963
g . 4 . - I n t e n s i t é (en gamma) et d i r e c t i o n (en d e g r é ) d u champ magnétique mesuré le 1er décembre 1963 p a r le s a t e l l k e IMP 1. La magnétopause est t r a v e r s é e à 11,1 rayons t e r r e s t r e s . L'onde de choc magnéto- s p h é r i q u e est observée à 16,2 rayons t e r r e s t r e s .
La distance radiale minimum de la magnétopause est de 10 rayons t e r r e s t r e s en d i r e c t i o n d u Soleil. Par c o n t r e , dans la d i r e c t i o n opposée, la magnétosphère possède une queue comme le montre la f i g u r e 5. Cette queue de la magnétosphère s'étend au-delà de l ' o r b i t e l u n a i r e , à p l u s de 1000 rayons t e r r e s t r e s .
La magnétopause se forme à la distance où la pression d u ch;imp géomagnétique est suffisamment g r a n d e p o u r c o n t r e b a l a n c e r la pression c i n é t i q u e d u v e n t solaire i n c i d e n t . Lorsque le f l u x de q u a n t i t é de mouvement d u v e n t solaire augmente, la magnétopause se forme à une distance radiale p l u s f a i b l e c ' e s t - à - d i r e où le champ géomagnétiqup est plus g r a n d .
La magnétopause a t a n t ô t été considérée comme une s u r f a c e fermée e n v e l o p p a n t toutes les lignes de f o r c e d u champ géomagnétique, t a n t ô t comme une d i s c o n t i n u i t é au t r a v e r s de laquelle toutes les lignes de f o r c e géomagnétiques polaires sont interconnectées avec celles du milieu i n t e r p l a n é t a i r e . C e p e n d a n t , ni le modèle complètement fermé de la magnétosphère proposé par l'école de CJhapman et F e r r a r o , ni le modèle complètement o u v e r t de l'école de D u r g e y n ' o n t résistés aux tests des o b s e r v a t i o n s de plus en p l u s précises accumulées au c o u r s des d i x d e r n i è r e s années. Le d é f a u t commun de ces deux t y p e s de modèles était d ' ê t r e basé s u r une h y p o t h è s e de s t a t i o n n a r i t é . En e f f e t , pendant t r è s longtemps, le v e n t solaire avait été supposé s t a t i o n n a i r e et uniforme sur des distances comparables au diamètre de la magnétosphère. En 1975, j'ai remis cette h y p o t h è s e s i m p l i f i c a t r i c e en q u e s t i o n , suite à des analyses de magnétogrammes à haute r é s o l u t i o n o b t e n u s avec le satellite
E x p l o r e r 43 par le g r o u p e de N. F. Ness d u Goddard Space F l i g h t C e n t e r . En e f f e t , il m ' a p p a r u t alors que le champ magnétique i n t e r - planétaire était t r è s t o u r m e n i é et i r r é g u l i e r et j ' e n déduisis que le plasma d u v e n t solaire d e v a i t ê t r e t r è s peu u n i f o r m e et inhomogène s u r des distances i n f é r i e u r e s ai diamètre de la magnétosphère. Ces i r r é g u l a r i t é s de d e n s i t é de plasma, dont l'existence f u t confirmée par la
- 1 6 -
-J
VENT SOLAIRE
Fig. 5.- La forme générale et les différentes régions de la magnétosphère terrestre.
suite, d e v r a i e n t pénétrer d a n s le champ géomagnétique à des p r o f o n d e u r s d ' a u t a n t p l u s g r a n d e s que leur quantité de mouvement est élevée. Lemaire et Roth s u g g è r e n t alors en 1976 au c o u r s d ' u n s y m p o s i u m à A m s t e r d a m , que es éléments de plasma dont l'impulsion est p l u s g r a n d e que la moyenne, t r a v e r s e n t la magnétopause et s ' e n l i s e n t à l'intérieur de la m a g n é t o s p h è r e comme le montre la f i g u r e 6. Ces éléments de plasma déforment donc la magnétopause et y p r o d u i s e n t en q u e l q u e s o r t e , des t r o u s au t r a v e r s d e s q u e l s le vent solaire est injecte au sein de la m a g n é t o s p h è r e . L ' i n t e r a c t i o n électromagnétique entre ces éléments de plasma et les champs m a g n é t o s p h é r i q u e s permet de t r a n s f é r e r leur excès de quantité de mouvement ainsi que leur excès d ' é n e r g i e à la région E de l ' i o n o s p h è r e . Ceci a p o u r c o n s é q u e n c e de c h a u f f e r l ' i o n o s p h è r e et l'atmosphère neutre. Ce t r a n s f e r t d ' i m p u l s i o n et ce c h a u f f a g e par effet Joule se p r o d u i t au v o i s i n a g e des points n e u t r e s où toutes les lignes de force de la magnétopause c o n v e r g e n t en forme de " c o r n e t s " ( v o i r f i g u r e 5 ) . Cette récente théorie de la pénétration impulsive d u v e n t solaire d a n s la m a g n é t o s p h è r e , e x p l i q u e l'ensemble des o b s e r v a t i o n s o b t e n u e s j u s q u ' à p r é s e n t . D a n s cette nouvelle théorie, les i r r é g u l a r i t é s d u champ magnétique o b s e r v é e s d a n s la région f r o n t i è r e , j u s q u ' à l'intérieur de la magnétopause, sont interprétées comme les s i g n a t u r e s d i a m a g n é t i q u e s , des éléments de plasma d u vent solaire ayant pénétré impulsivement d a n s la m a g n é t o s p h è r e .
L E S A U T R E S R E G I O N S D E LA M A G N E T O S P H E R E
La coupe de la m a g n é t o s p h è r e montrée par la f i g u r e 5, laisse apparaître les différentes r é g i o n s m a g n é t o s p h é r i q u e s que les t e c h n i q u e s spatiales n o u s ont permis de d é c o u v r i r . O u t r e les c e i n t u r e s de radiation de V a n Allen et la région frontière de la m a g n é t o s p h è r e (dénommée
" E n t r y L a y e r " d a n s la terminologie a n g l o - s a x o n n e ) que n o u s v e n o n s de d é c r i r e , on d i s t i n g u e la " p l a s m a s h e e t " , la p l a s m a s p h è r e , la "plasma t r o u g h " , le v e n t solaire et le manteau de plasma d a n s les lobes de la
VENT SOLAIRE NON-UNIFORME ET NON-STATIONNAIRE
1 I 1 l H I I f 1
I ' I I I I «• 1 • I I I * I
I 1 1 > I I ! 1 • 1
Fig. 6 . - I l l u s t r a t i o n m o n t r a n t des éléments de plasma du v e n t solaire injectés impulsivement dans la magnéto sphère. Ces i r r é g u l a r i t é s de plasma t r a n s f è r e n t leur excès d ' é n e r g i e par dissipation Joule dans la région E de l'ionosphère.
-19-
queue magnétosphérique. La "couche d'entrée" voisine cte la magnéto- pause possède une épaisseur de 1 rayon terrestre. C'est la couche tampon au sein de laquelle viennent s'enliser les éléments de plasma du vent solaire injectés impulsivement dans la magnétosphère. Dès que ces irrégularités ont pénétré au sein de la région frontière, le mouvement des particules qu'elles contiennent est gouverné par le champ géo- électrique et le champ géomagnétique. Une partie de ces particules est précipitée le long des lignes de force des "cornets magnétosphériques", dans deux régions conjuguées de l'ionosphère dont la position est déterminée par celle des deux points neutres de la magnétopause (voir
fig. 4).
D'autres particules injectées à l'avant de la magnétosphère et dont le point miroir est situé au dessus de 1000 km d'altitude, (c'est- à - d i r e en dehors de l'atmosphère t e r r e s t r e ) sont réfléchies et spiralent le long de lignes de force magnétique qui s'étendent dans les lobes de la queue magnétosphérique. Ces particules du vent solaire qui se déplacent vers l'arrière de la magnétosphère avec une vitesse de l'ordre de 200 km/s, forment une zone limitrophe de la magnétopause que
Rosenbauer en 1975 a appelé le "manteau de plasma" (plasma mantle en anglais).
Une dernière partie des particules injectées impulsivement et dont les points miroirs sont voisins du plan équatorial subissent des dérives en longitude perpendiculairement à la direction du champ magnétique. En plus de la dérive due au gradient de champ magnétique que nous avons mentionné ci-dessus pour les particules des ceintures dé Van Allen, on doit tenir compte d'une vitesse de dérive électrique donnée par la formule
1 4 A ê/B2
E l
- 2 0 -
où Ê et â s o n t les i n t e n s i t é s des c h a m p s é l e c t r i q u e s e t m a g n é t i q u e s . C e s m o u v e m e n t s de d é r i v e en l o n g i t u d e t r a n s p o r t e n t les p r o t o n s et les é l e c t r o n s de f a i b l e é n e r g i e v e r s l ' a r r i è r e de la m a g n é t o s p h è r e d a n s la r é g i o n q u e l'on a a p p e l é la " p l a s m a s h e e t " . C e t t e r é g i o n c e n t r a l e de la q u e u e c o n s t i t u e le r é s e r v o i r des p a r t i c u l e s c h a r g é e s q u i p r é c i p i t e n t o c c a s i o n n e l l e m e n t d a n s les r é g i o n s d e l a t i t u d e é l e v é e s en d o n n a n t lieu a u x a u r o r e s b o r é a l e s d o n t il é t a i t q u e s t i o n au d é b u t de c e t a r t i c l e .
C e t t e d e s c r i p t i o n d e s r é g i o n s de la m a g n é t o s p h è r e s e r a i t i n c o m p l è t e si l'on ne m e n t i o n n a i t pas la p l a s m a s p h è r e f o r m é e de p a r t i c u l e s i o n o s p h é r i q u e s et p i é g é e s le l o n g d e s l i g n e s de f o r c e m a g n é t i q u e s d i p o l a i r e s d o n t la d i s t a n c e é q u a t o r i a l e e s t i n f é r i e u r e à 4 - 6 r a y o n s t e r r e s t r e s . D a n s c e t t e c e i n t u r e t o r o ï d a l e e n c e r c l a n t la T e r r e , on t r o u v e d e s i o n s et des é l e c t r o n s d o n t l ' é n e r g i e e s t t r è s f a i b l e (1 - 10 e V ) . La p l a s m a s p h è r e e s t en c o r o t a t i o n a v e c l ' i o n o s p h è r e et la d e n s i t é d u p l a s m a y e s t r e l a t i v e m e n t é l e v é e . La p l a s m a s p h è r e se t e r m i n e de f a ç o n a b r u p t e p a r u n e s u r f a c e de d i s c o n t i n u i t é q u e l'on a p p e l l e la p l a s m a p a u s e . En e f f e t , s u r u n e d i s t a n c e p a r f o i s i n f é r i e u r e à u n d i x i è m e de r a y o n t e r r e s t r e , la d e n s i t é i o n i q u e et é l e c t r o n i q u e d é c r o î t de d e u x o r d r e s de g r a n d e u r ( c ' e s t - à - d i r e de 300 p a r t i c u l e s p a r cm a 3 3 s
"5 . . *
p a r t i c u l e s p a r cm ) . La f o r m a t i o n de c e t t e r e m a r q u a b l e d i s c o n t i n u i t é d a n s la d e n s i t é de p l a s m a m a g n é t o s p h é r i q u e e s t d u e à u n e i n s t a b i l i t é c o n v e c t i v e . En e f f e t , à l ' e n d r o i t o ù la f o r c e g r a v i f i q u e a g i s s a n t s u r le p l a s m a e s t s u p p l a n t é e p a r la f o r c e c e n t r i f u g e d u e à la c o r o t a t i o n et à la c o n v e c t i o n m a g n é t o s p h é r i q u e , t o u t élément de p l a s m a d o n t la d e n s i t é est s u p é r i e u r e à celle d u milieu a m b i a n t , . a t e n d a n c e à se d é t a c h e r d e la p l a s m a s p h è r e et a s ' e n é l o i g n e r . P a r c o n t r e , u n t u b e de f o r c e m a g n é t i q u e de d e n s i t é i n f é r i e u r e à la m o y e n n e a t e n d a n c e à se d é p l a c e r le l o n g d ' u n e t r a j e c t o i r e f e r m é e . Le l o n g de c e t t e t r a j e c t o i r e , l ' a c t i o n de la f o r c e g r a v i f i q u e s u r cet élément e s t c o n t r e b a l a n c é e p a r c e l l e de la f o r c e c e n t r i f u g e au c o u r s d ' u n e r é v o l u t i o n a u t o u r de la T e r r e . La p l a s m a p a u s e c o ï n c i d e p r é c i s é m e n t a v e c c e t t e t r a j e c t o i r e s t a b l e de t o u s les é l é m e n t s de p l a s m a d o n t la d e n s i t é e s t p l u s f a i b l e q u e c e l l e d u m i l i e u a m b i a n t .
A u n i v e a u de l ' i o n o s p h è r e s u p é r i e u r e , la prlasmapause se manifeste p a r une d i m i n u t i o n de la d e n s i t é é l e c t r o n i q u e v e r s 60° de l a t i t u d e g é o m a g n é t i q u e . A u x l a t i t u d e s plus élevées que 6 0 ° , l ' i o n o s p h è r e se v i d e c o n t i n u e l l e m e n t de son c o n t e n u d ' i o n s légers tels que H+ et H e+. Ces ions p r o d u i t s p a r p h o t o i o n i s a t i o n et p a r échange de c h a r g e en dessous de 100 km d ' a l t i t u d e , d i f f u s e n t v e r s le h a u t p o u r remplacer les p a r t i c u l e s de la même espèce; ils s ' é c h a p p e n t finalement le long des lignes de f o r c e magnétiques v e r s la queue de la m a g n é t o s p h è r e . Ce f l u x d'échappement des ions légers h o r s de l ' i o n o s p h è r e polaire c o n s t i t u e le v e n t p o l a i r e .
CONCLUSIONS
Ce t o u r d ' h o r i z o n des d i f f é r e n t e s r é g i o n s de la magnétosphère et de l ' h i s t o i r e de la d é c o u v e r t e de c e l l e - c i , ne p r é t e n d nullement ê t r e complet ; Néanmoins, il nous m o n t r e la complexité de la N a t u r e et dénonce la fausse impression q u ' a u - d e l à de l ' a t m o s p h è r e , il n ' y a plus r i e n , sinon le v i d e ! A u d é p a r t , le g é o p h y s i c i e n imaginait que le champ géomagnétique était celui d ' u n simple d i p o l e , s ' é t e n d a n t i n d é f i n i m e n t a u t o u r de la T e r r e . A p r è s v i n g t années d ' e x p l o r a t i o n s spatiales i n t e n s i v e s , g r â c e à des t e c h n i q u e s de p l u s en p l u s p e r f o r m a n t e s , ces mêmes g é o p h y s i c i e n s nous d é c r i v e n t a u j o u r d ' h u i la magnétosphère t e r r e s t r e comme un objet t r è s complexe et comme un l a b o r a t o i r e idéal p o u r é t u d i e r un vaste ensemble de phénomènes i m p o r t a n t s en p h y s i q u e des plasmas et en a s t r o p h y s i q u e .
En d o n n a n t aux c h e r c h e u r s des deux d e r n i è r e s décades les moyens nécessaires e t , en c r é a n t une émulation p r o p i c e à la r e c h e r c h e s p a t i a l e , on a permis de j e t e r les bases solides d ' u n é d i f i c e de r é s u l t a t s s c i e n t i f i q u e s r e m a r q u a b l e s . Ces r é s u l t a t s sont t o u t e s des p i e r r e s s u r lesquelles la communauté s c i e n t i f i q u e p e u t s ' a p p u y e r p o u r s ' é l e v e r t o u j o u r s plus h a u t , a f i n de mieux contempler les lois de la N a t u r e et les merveilles de l ' U n i v e r s q u i nous e n t o u r e .
