La reconnexion des lignes de champ magnétique créee des faiblesses (passages ?) dans la magnétosphère

Comme un vieux bateau à la coque trouée, la Terre prend l'eau... ou plutôt le vent solaire.

Car la magnétosphère, ce bouclier naturel situé au-dessus de l'ionosphère qui protège notre planète du flux constant de particules éjectées du Soleil, est plus perméable qu'on le pensait.

Une nouvelle étude basée sur des images enregistrées par des satellites américain et européen a permis à Harald Frey, de l'Université de Californie à Berkeley, et ses collègues de montrer que les fissures qui apparaissent régulièrement dans la magnétosphère peuvent durer plusieurs heures, laissant une partie significative des vents solaires atteindre la haute atmosphère terrestre.

Cette découverte pourrait permettre aux chercheurs d'affiner leurs prévisions des tempêtes magnétiques causées par les éruptions solaires les plus violentes ainsi que leurs conséquences sur les systèmes de radiocommunications et les satellites

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/terre-3/d/la-magnetosphere-moins-infaillible-que-prevu_2842/#connexe

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Des tourbillons géants dans la magnétosphère de la Terre

Par Jean-Luc Goudet, Futura-Sciences  

A 40 000 kilomètres au-dessus de nos têtes, la rencontre violente du vent solaire et de la bulle de plasma entourant la Terre génère d'énormes turbulences qui injectent des particules chargées dans l'environnement de notre planète.

Grâce au quatuor de satellites Cluster, lancés en 2000 pour étudier de l'intérieur la magnétosphère terrestre, une équipe internationale menée par Katariina Nykyri a pu reconstituer les contacts tumultueux entre l'environnement terrestre et le vent solaire.

La magnétosphère est cet immense volume sous l'influence du champ magnétique terrestre. On la représente habituellement par les lignes de ce champ, qui se rassemblent aux pôles, comme le font celles d'un aimant. Elle dévie le vent solaire, flux de particules chargées expulsées par le Soleil, un rôle de bouclier qui nous est bénéfique car ce bombardement ionisé serait dangereux pour la vie terrestre. Mais sous ce choc permanent, la magnétosphère est fortement déformée. La limite entre les deux, la magnétopause, se trouve à environ 60 000 kilomètres de la Terre côté Soleil et s'allonge jusqu'à plus de 300 000 kilomètres du côté opposé, donnant à la magnétosphère l'allure d'une comète. Déjà grâce à Cluster, les scientifiques connaissaient l'existence à ce niveau de tourbillons, prenant la forme des instabilités dites de Kelvin-Helmholtz, ces figures ressemblant aux frises des monuments de la Grèce antique et se produisant entre deux écoulements de fluides voisins.

Reconstitution de la magnétosphère et des ses tourbillons, visibles à gauche, dans la section horizontale de la coupe. Le pointillé blanc indique le passage des satellites Cluster, qui ont permis leur détection. Credits: ESA/Hasegawa et al
Reconstitution de la magnétosphère et des ses tourbillons, visibles à gauche, dans la section horizontale de la coupe. Le pointillé blanc indique le passage des satellites Cluster, qui ont permis leur détection. Credits: ESA/Hasegawa et al

Les Cluster ont permis de repérer ces tourbillons en détectant de larges bousculades dans les lignes de champ magnétique mais aussi dans le mouvement suivi par les particules ionisées, celles venant du Soleil ou celles qui se promènent dans la magnétosphère. Ce gaz ionisé, ou plasma, suit sagement les lignes de champ magnétique, comme des voitures disciplinées sur une autoroute. S'il vient à changer brusquement de direction, c'est que des lignes de champ magnétique se croisent à cet endroit. C'est ce que l'on appelle une reconnexion, réorganisation locale d'un champ magnétique. Il peut s'en produire, justement, dans un plasma au mouvement turbulent. Deux lignes s'interconnectent brièvement, formant une structure provisoire en X puis se coupent et se reconnectent, pour soit revenir à l'état initial soit intervertir leurs directions.

Les événements qui ont trahi l'existence de ce tourbillon ont été enregistrés… le 3 juillet 2001. Passés complètement inaperçus, ils gisaient parmi les énormes quantités de données accumulées par ces quatre vigiles de notre environnement magnétique. Il a fallu la ténacité de Katariina Nykyri (qui travaille, encore pour quelques semaines, à l'Imperial College de Londres) et d'une équipe européenne et américaine pour les interpréter. Ce jour-là, les satellites passaient du côté de l'aube, c'est-à-dire sur le flanc de la magnétosphère, entre la partie frontale, orientée vers le Soleil, et la queue. Les données enregistrées par les satellites semblaient indiquer de brusques changements de direction du flux de plasma et des lignes de champs magnétiques. Pour être certaine du résultat, Nykyri a réanalysé quatre fois les données et l'équipe a ensuite effectué une modélisation sur ordinateur pour tenter de reconstituer l'événement. Des simulations de reconnexion ont déjà été réalisées cette année par une équipe de l'Observatoire de Paris.

Ce que les scientifiques soupçonnaient est bien confirmé : ces énormes tourbillons sont bien le lieu de reconnexions des lignes de champ magnétique. Créant des faiblesses dans le bouclier de la magnétopause, ils permettent à du plasma solaire de pénétrer à l'intérieur de la magnétosphère. Jusque-là, on ne connaissait comme points d'entrée des particules solaires que les sortes de cornets au-dessus des pôles, pénétrations responsables des aurores boréales.

L'équipe continue son travail, d'abord en réalisant des modèles plus réalistes des tourbillons en trois dimensions et ensuite en fouillant dans les archives de Cluster pour y trouver d'autres événements de ce genre.

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/des-tourbillons-geants-dans-la-magnetosphere-de-la-terre_10077/

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Magnétosphère : des bulles pétillent autour de la Terre

Par Christophe Olry, Futura-Sciences

Nous l'ignorions, mais l'espace pétille au-dessus de nos têtes ! En effet, des travaux parus le 22 mai 2006 dans l'édition en ligne de Physics of Plasmas et relayés aujourd'hui par l'ESA nous apprennent que, à l'interface entre la magnétosphère de la Terre et le vent solaire, des bulles de faible densité apparaissent, grandissent, puis disparaissent !

Vue d'artiste de la magnétosphère (en bleu) sous le flux continu du vent solaire. La magnétosphère se comporte comme un bouclier, à la frontière duquel se forme le
Vue d'artiste de la magnétosphère (en bleu) sous le flux continu du vent solaire
La magnétosphère se comporte comme un bouclier, à la frontière duquel se forme le "bow shock"
(Crédits : ESA)

Un bouclier magnétique contre le vent solaire

Le 14 janvier 2005, la sonde Huygens de l'ESA entrait dans l'atmosphère tumultueuse de Titan à la vitesse de 22.000 kilomètres à l'heure. En l'espace de deux minutes, la friction lui avait alors permis de faire décroître sa vélocité jusqu'à 1.400 kilomètres à l'heure. Cette forte friction avait induit la formation d'une onde de choc à l'avant de son bouclier thermique.

A l'instar de Huygens, un choc similaire se forme dans la zone de contact entre le champ magnétique de la Terre et le vent solaire. Au contact de la magnétosphère, les particules bombardées par le Soleil – dont la vitesse initiale avoisine les 400 kilomètres par seconde - se trouvent freinées et sont contraintes de « contourner » notre planète. Certaines d'entre elles parviennent tout de même à franchir le bouclier, et d'autres encore sont réfléchies et renvoyées en direction du Soleil. Le rôle joué par ces dernières est encore mal compris.

Des bulles éphémères

Le 2 mai 2005, les quatre satellites de Cluster ainsi que Double Star se trouvaient en amont de la zone de choc lorsqu'ils observèrent un phénomène singulier. Pendant 15 secondes, ils constatèrent la présence d'une « bulle » dans le vent solaire, une zone de l'espace où la densité chutait rapidement et où la température des gaz était particulièrement élevée. Les satellites avaient alors pu mesurer sa taille : environ 3700 kilomètres.

En se penchant sur les données de 6 orbites décrites par Cluster, l'équipe menée par George Parks, du Space Sciences Laboratory, a détecté la présence d'environ 150 bulles de ce type. La température du gaz mesurée à l'intérieur de ces bulles peut atteindre 10.000.000 de degrés Celsius, et leur taille moyenne a été estimée à 1.000 kilomètres. Selon les chercheurs, ces bulles n'existent probablement que pendant dix secondes, avant « d'exploser » et d'être remplacées par le vent solaire.

Sur la figure en haut à gauche sont représentées les faleuses bulles observées par Cluster et Double Star Les points marrons sont les particules qui remontent le courant du vent solaire (Crédits : ESA)
Sur la figure en haut à gauche sont représentées les fameuses bulles observées par Cluster et Double Star
Les points marrons sont les particules qui remontent le courant du vent solaire
(Crédits : ESA)

Quelle source d'énergie permet à ces bulles de se former ? Il demeure difficile de répondre à cette question, mais George Parks pense que les particules allant à contre courant du vent solaire jouent un rôle important dans ce processus. « Pour l'heure, nous nous employons à étudier ces bulles du mieux que nous le pouvons. Ensuite nous essayerons de les simuler par ordinateur », explique Parks.

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/univers/d/magnetosphere-des-bulles-petillent-autour-de-la-terre_9165/

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La reconnexion magnétique est le mécanisme qui permet de brutalement convertir l'énergie stockée dans un champ magnétique en d'autres formes d'énergie. Ce mécanisme intervient dans quasiment tous les plasmas magnétisés, et donc dans la quasi-totalité de l'Univers. La reconnexion magnétique est notamment à l'origine de phénomènes parmi les plus violents de notre système solaire, tels que les éruptions solaires et les éjections de masses coronales (voir film taille : 15 Mo, crédits: NASA/SVS).

Une équipe de chercheurs de l'Observatoire de Paris vient d'apporter une bien meilleure compréhension de la reconnexion magnétique, grâce à des simulations 3D. La reconnexion intervient aussi au niveau de la magnétosphère terrestre, ainsi qu'en laboratoire, au sein des tokamaks tels que le futur ITER. Dans ces derniers, la reconnexion magnétique doit être évitée car elle limite le confinement magnétique du plasma de fusion.

Le stockage et la libération de l'énergie magnétique présentent de fortes similitudes avec ce qui se produit dans un élastique que l'on torsade puis que l'on coupe. De la même façon, l'énergie magnétique est libérée lorsque l'on sectionne les lignes de champ, c'est-à-dire, lorsque l'on modifie leur connectivité. Ceci se produit lors de la reconnexion magnétique. Pour que les lignes de champ magnétique puissent être reconnectées, il est nécessaire qu'une couche étroite parcourue par des courants électriques intenses soit présente dans le milieu. Si ce mécanisme est bien compris en deux dimensions (2D), en revanche, des questions majeures se sont posées depuis plus de dix ans sur les conditions de formation de ces nappes de courants et la nature de la reconnexion en trois dimensions (3D).

Une équipe de l'observatoire de Paris a simulé numériquement en 3D la formation de ces nappes de courant et la reconnexion associée, à l'aide des machines parallèles multiprocesseurs du Service Informatique de l'Observatoire de Paris. Cette équipe a ainsi généralisé en 3D les conditions nécessaires au développement de ces couches de courant, en les liant à des géométries générales du champ magnétique ne possédant aucune singularité topologique, appelées « tubes de flux hyperboliques ». Cette association permet dorénavant de prédire le lieu de déclenchement de la reconnexion magnétique, et éventuellement de mieux la maîtriser dans les expériences en laboratoire de fusion par confinement magnétique.

Figure 1 : Formation d'une nappe de courant horizontal (en vert à droite) au niveau d'un « tube de flux hyperbolique » (en rouge et jaune à gauche).
Figure 1 : Formation d'une nappe de courant horizontal (en vert à droite) au niveau d'un « tube de flux hyperbolique » (en rouge et jaune à gauche).

Ces simulations ont aussi mis en évidence un comportement inédit de la configuration magnétique lors de la reconnexion. Contrairement à ce qui se produit en 2D, où les lignes de champ magnétique se coupent et se rejoignent deux à deux, en 3D celles-ci modifient leur connectivité continûment et semblent ainsi glisser les unes par rapport aux autres (voir Fig. 2).

Figure 2 : Glissement de plusieurs groupes de lignes de champ magnétiques lors de la reconnexion.
Figure 2 : Glissement de plusieurs groupes de lignes de champ magnétiques lors de la reconnexion.

Glissement de plusieurs groupes de lignes de champ magnétiques lors de la reconnexion.
Glissement de plusieurs groupes de lignes de champ magnétiques lors de la reconnexion.

Ces simulations numériques de pointe ont permis aux chercheurs français d'apporter une vision nouvelle de la reconnexion magnétique en 3D. Certains phénomènes associés aux éruptions solaires peuvent ainsi être compris et interprétés sous un jour nouveau : notamment, le déplacement des régions qui émettent des rayons X durs au niveau de la surface solaire serait dû au glissement rapide des régions d'impact de particules accélérées lors de la reconnexion.

Observation par TRACE en lumière blanche, puis par le Big Bear Solar Observatory dans la raie Ha (en noir et blanc) et a nouveau par TRACE en Ultraviolet (en niveaux de vert et blanc). Les émissions en rayon X et g observées par RHESSI sont matérialisées en rouge, bleu et violet. Le déplacement des sources compactes bleues peut être facilement interprété dans le cadre de la reconnexion magnétique glissante.
Observation par TRACE en lumière blanche, puis par le Big Bear Solar Observatory dans la raie Ha (en noir et blanc) et a nouveau par TRACE en Ultraviolet (en niveaux de vert et blanc). Les émissions en rayon X et g observées par RHESSI sont matérialisées en rouge, bleu et violet. Le déplacement des sources compactes bleues peut être facilement interprété dans le cadre de la reconnexion magnétique glissante.

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/un-nouveau-concept-pour-la-reconnexion-magnetique_9297/

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autres sites :

http://www.stars5.netfirms.com/magnetotf.htm

http://www.erwanhome.org/sciences-atmospheriques/vent-solaire-et-aurores-polaires.php (position des ceintures de Van Allen)

http://www.luth.obspm.fr/~luthier/mottez/intro_physique_spatiale/concepts/sous-orage-old/ideesFausses.html

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