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Des tourbillons géants dans la magnétosphère de la Terre

ActualitéClassé sous :physique , cluster , magnétosphère

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

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.

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