COMPORTEMENT

La Terre est constituée d'un noyau de Fer et de Nickel en fusion. L'agitation interne de cette matière crée un champ magnétique englobant la planète et dont les pôles se trouvent légèrement décalés par rapport aux pôles géographiques. La Terre se comporte donc comme un véritable aimant géant.

Les particules du vent solaire, à l’approche de la Terre, sont freinées par le champ géomagnétique. Elles sont déviées à environ 10 RT en amont de notre planète qu’elles enferment dans une cavité, appelée magnétosphère. Cette région peut aussi être définie comme la région où prédomine l’action du champ géomagnétique (par rapport à celle du champ magnétique interplanétaire).

a) Structure générale de la magnétosphère

On peut distinguer 3 zones différentes dans notre présentation :

La zone frontière s’étend de l’onde de choc (début de la zone d’interaction entre champ magnétique interplanétaire et le champ géomagnétique) à la magnétopause, couvrant ainsi toute une région nommée magnétogaine. Les cornets polaires peuvent également être associés à cette zone frontière.

La magnétosphère externe est constituée de la longue queue dans laquelle se côtoient les lobes (cf. infra) et la couche de plasma(cf. infra). Sa limite externe se situe au niveau de la magnétopause et forme le manteau de plasma.

La magnétosphère interne contient quant-à elle les ceintures de Van-Allen ainsi que l’anneau de courant et la plasmasphère, en corotation avec la Terre.

b) Lieux de pénétration des particules aurorales dans la magnétosphère

La magnétogaine correspond à la zone de compression et de chauffage du vent solaire et regroupe les deux lieux privilégiés de pénétration des particules aurorales dans la haute atmosphère : la magnétopause et les cornets polaires.

1- La magnétopause

La magnétopause, qui sépare la région dominée par le champ magnétique interplanétaire et celle dominée par le champ géomagnétique, est déformée sous l’action du vent solaire : côté jour, il comprime la magnétosphère jusqu’à environ 10 RT ; Côté nuit, en revanche, il l’entraîne en une longue queue de plusieurs de rayons terrestres. La forme du champ résultant de cette interaction n’est donc plus celle du dipôle.
De plus, les protons, du fait de leur polarité et sous l’action du champ géomagnétique, sont en grande partie dirigés du côté soir de la Terre, et les électrons, du côté matin. Ne pouvant traverser la cavité magnétosphérique, un champ électrique de rappel se crée (dirigé de l’aube vers le crépuscule) : il est nommé courant de Chapman-Ferraro.

2- Les cornets polaires

Les cornets polaires sont les zones où les lignes de forces géomagnétiques se reconnectent directement dans la magnétogaine. Ils sont des lieux de neutralité du champ magnétique résultant : Bs + Bt = 0. En effet, Bt est dirigé selon la droite joignant les deux pôles magnétiques et orienté du pôle Nord au pôle Sud géographique, alors que le champ magnétique interplanétaire lui est opposé. Il ne s’agit pourtant que d’une modélisation mathématique dans la mesure où la réalité physique est autre : le vent solaire n’est pas à flux stationnaire et varie dans la zone des pôles de part sa déviation.

c) Mouvements des particules

1- A travers la magnétopause

La frontière de la magnétosphère, la magnétopause, est cependant poreuse et une partie du vent solaire la traverse et se retrouve à l’intérieure de cette cavité, côté nuit, d’où les particules peuvent être accélérées vers la Terre. En effet, environ 0,5 % de la masse et de l’énergie incidentes et environ 10 % du flux électrique du vent solaire peuvent la traverser. Sur une épaisseur de la magnétopause appelée manteau de plasma, des particules du vent solaire peuvent traverser et converger vers le plan central : la couche de plasma.

Au sein de cette couche de plasma, on montre en considérant un charge q soumise à la seule force de Lorentz : dûe au champ électrique de rappel (perpendiculaire à la direction Soleil-Terre) et au champ géomagnétique et en appliquant l’équation de la dynamique : , que toutes les particules (quelque soit le signe de q) de la couche sont contraintes de retourner vers la Terre avec la même vitesse : . En réalité, cette modélisation reste valable jusqu’à une distance de 100 RT, limite au-delà de laquelle les particules s’éloignent de la Terre.

2- Aux pôles magnétiques : par les cornets

A haute latitude, le champ géomagnétique intercepte perpendiculairement la magnétosphère. Les particules chargées du vent solaire ne peuvent que tourner autour de ces lignes de force ouvertes. Elles se retrouvent alors piégées, accélérées et dirigées le long de ces lignes jusque dans la haute atmosphère où elles sont précipitées pour donner naissance aux aurores. Les cornets sont donc des portes d’entrée du vent solaire dans la cavité magnétosphérique.

d) Vitesse et énergie

La vitesse du vent solaire peut être considérée comme radiale et est comprise entre 200 et 700 km.s-1. Sur le plan énergétique, le spectre est étroit : pour une énergie surfacique de 10⁴ W.m-2, avec une énergie moyenne de 500 eV(max=700eV) pour les protons et 0,25 eV pour les électrons (simple rapport de masse entre les deux).

De plus lorsque le vent solaire rapide rattrape le vent lent, des turbulences locales se créent et forment des nuages magnétiques. De façon générale, il a un effet sensible sur la Terre après 2 à 3 jours. De plus, le vent solaire porte en lui son propre champ magnétique, dû à un déplacement des charges qui le constituent : le champ magnétique interplanétaire.

Compte tenu de leur vitesse d’expulsion et du champ magnétique dans le vent solaire, les électrons et protons sont soumis à une force de Lorentz qui tend à les éloigner. Il se crée alors un champ électrique de rappel dont la différence de potentiel est différente de 800 kV sur une largeur équivalente à celle balayée par le champ magnétique terrestre (40 RT : rayons terrestres). Il faut préciser cependant que le vent solaire est « globalement » électriquement neutre.

Fig I-3--1 : Champ magnétique terrestre.

Fig I-3--2 : Influence du vent solaire sur l'état de la magnétosphère.

Fig I-3-a : Composition de la magnétosphère.

Fig I-3-b : Lieux de pénétration des particules.

Fig I-3-c-2 : Schéma de pénétration des particules au niveau des pôles magnétiques par les cornets

Fig I-3-d : L'intensité du vent solaire en fonction de la latitude du soleil.