CLUSTER explore la magnétosphère en trois dimensions

article de Fabrice Mottez
2 SEPTEMBRE 2002

Un shéma de la magnétosphère montrant les principales régions, et
l\'orbite de Cluster
en janvier 2001. Le Soleil est à gauche.
Ce shéma a été fait à partir du modèle de Tsyganenko 1987.
Un shéma de la magnétosphère montrant les principales régions, et l'orbite de Cluster en janvier 2001. Le Soleil est à gauche. Ce shéma a été fait à partir du modèle de Tsyganenko 1987.

CETP/ESA

La Terre est entourée d'une région invisible, très vaste, très peu dense dont le comportement est étroitement lié à celui du champ magnétique (principalement celui de la Terre) et au vent solaire (un vent de plasma très rapide soufflé en permanence par le Soleil). Cette vaste région, globalement moins dense que le milieu interplanétaire est la magnétosphère de la Terre. La magnétosphère nous a été révélée par l'exploration spatiale, il y a une quarantaine d'années. Elle n'a pas encore livré tous ses secrets.

La magnétosphère invisible

C'est une zone dont seuls quelques pionniers soupçonnaient l'existence

dans les années 1930.

Depuis l'avènement de l'ère spatiale, force a été de constater son existence,

car c'est une

région qui englobe la plupart des orbites des satellites tournant

autour de la Terre.

On a découvert depuis le lien très fort qui relie la magnétosphère

et le phénomène connu et

spectaculaire des aurores polaires. C'est dans la magnétosphère et

son interaction avec le vent

solaire qu'il faut chercher l'origine des aurores polaires.

La compréhension de la physique de la magnétosphère est utile pour

comprendre les aurores,

mais aussi pour mieux appréhender le milieu dans lequel évoluent les

sondes spatiales

(l'activité du plasma ambiant est capable de les endommager).

Le plasma de la

magnétosphère est un plasma très peu dense, mais très actif.

Les phénomènes qu'on a pu

comprendre pour l'environnement de la Terre peuvent trouver d'autres

applications en

astrophysique car on retrouve de tels plasmas dans d'autres régions de l'univers.

Des magnétosphères dans l'univers

On sait déjà

que d'autres planètes du système solaire ont une magnétosphère

(Mercure, Jupiter, Saturne,

Uranus, Neptune). La physique des plasmas dilués est également

essentielle pour comprendre

la couronne du Soleil. Les scientifiques français qui étudient les

magnétosphères et la

couronne solaire se sont même assemblés dans un programme de recherches

(le Programme

National Soleil Terre patronné par l'Institut National des Sciences de l'Univers).

Il est

probable que des planètes extra-solaires ont une magnétosphère

(nous reviendrons sur cette

question dans un prochain article). Beaucoup d'étoiles doivent également

avoir une couronne

semblable à celle du Soleil.

Les régions de la magnétosphère

Depuis la fin des année 1960, on se fait une idée assez précise de la

structure globale de la

magnétosphère. Elle comprend plusieurs grandes régions délimitées par

des frontières parfois

très fines.

Le milieu interplanétaire est baigné par le vent solaire.

Celui-ci a une vitesse

supersonique. En amont de la Terre, il rencontre une onde de choc,

semblable à celle qui se

développe au devant des avions supersoniques. Derrière le choc se

trouve une région

tumultueuse appelée la magnétogaine.

Puis vient la frontière de la

magnétosphère, la

magnétopause, à l'intérieur de laquelle le champ magnétique est

d'origine terrestre, et le

plasma moins dense. En général, la magnétopause est étanche :

elle empêche le vent solaire de

rentrer (on parle d'une frontière tangentielle car la vitesse du plasma

est tangente à la

frontière). Une partie du vent solaire parvient néanmoins à pénétrer

dans la magnétosphère.

Une partie rentre en passant par les cornets polaires, deux régions

singulières ou la

magnétopause perd son « étanchéité ».

Une fois dans la magnétosphère, il faut à nouveau distinguer plusieurs régions.

La

magnétosphère du coté jour (vers le Soleil) est très différente de celle du

coté nuit. Du coté

nuit, la magnétosphère est étirée en longueur sur des centaines de milliers

de kilomètres (au

delà de la distance de la Terre à la Lune). La queue est le siège de phénomènes

dynamiques

appelés sous-orages, dont on sait depuis la fin des années 1960 qu'ils sont

à l'origine des

aurores polaires.

Les frontières de ces régions ne sont pas très rigides, elles se déplacent,

se déforment, parfois

en quelques jours, parfois en quelques minutes.

Si on connaît assez bien la morphologie de la magnétosphère,

la façon dont elle évolue, ses

changements brutaux de configuration et l'évolution de ses

frontières sont encore mal

compris. Un des problèmes vient de leur caractère invisible :

ces régions ne rayonnent pas (à

de rares exceptions près). Il n'est donc possible de savoir leur

existence que lorsqu'on est

dedans.

Dans notre dictionnaire de l'astronomie...

Sur cette photo de l’éclipse de Soleil du 11 juillet 1991, la basse (à gauche) et la haute couronne (à droite) sont visibles. Dans la basse couronne, on remarque deux protubérances rouges.
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