magnétosphère (suite)

État statique (ou « stationnaire »)
structure de base

La magnétopause (surface frontière) traduit alors l’équilibre des pressions qui s’exercent sur ses faces :

Dans cette relation, les termes en ρ . v² (les ρ sont des masses spécifiques, les v des vitesses d’agitation thermique ou d’entraînement) traduisent des pressions (ou des densités d’énergie) d’origine cinétique ou thermique ; ceux en k . B² (les B représentent des inductions ou des champs magnétiques), des pressions (ou des densités d’énergie) magnétiques ; les indices e et i désignent respectivement les milieux externe et interne, et k est un coefficient qui dépendra du système d’unités choisi. Si l’on ne tient compte, de chaque côté, que du terme le plus important — pression cinétique exercée par le plasma solaire, à l’extérieur ; pression magnétique exercées par le champ géomagnétique, à l’intérieur —, on aura la relation simplifiée

qui déterminera la magnétopause.

Cela s’applique côté Soleil (ou côté jour), donnant une pseudo-demi-sphère située à une dizaine de rayons terrestres. Côté antisolaire (côté nuit), le phénomène réel est plus compliqué ; aux actions précédentes viennent s’ajouter des entraînements (par viscosité magnétique, par tourbillons, etc.) dont les effets sont connus (grâce aux mesures en satellites) : allongement considérable de la magnétosphère de nuit, qui s’étend probablement à plusieurs centaines de rayons terrestres (donc bien au-delà de l’orbite lunaire). C’est la queue magnétique (on notera l’analogie avec les queues de comètes), « ouverte » ou « fermée », suivant que l’on suppose que ses lignes de force se ferment sur elles-mêmes ou vont, au contraire, se raccorder à celles du faible champ magnétique que l’on sait maintenant exister dans l’espace interplanétaire (avec une intensité de l’ordre de 5 γ, soit 5 . 10^–5 gauss). À l’intérieur de la magnétosphère, le champ magnétique est à peu près celui d’un doublet jusqu’à des distances de l’ordre de quelques rayons terrestres, aussi bien du côté nuit que du côté jour. Les lignes de force correspondantes se raccordent au sol en des régions allant de l’équateur jusqu’aux zones aurorales (exclues). C’est à des distances plus grandes que la distinction fondamentale se fait entre les magnétosphères de jour et de nuit : pour la première, un champ voisin de celui d’un doublet reste encore valable jusque vers ses confins près de la magnétopause ; il en est tout autrement pour la seconde, car toutes les lignes de force issues des zones aurorales ou polaires sont étirées considérablement dans la direction antisolaire, les plus externes ne paraissant pas se refermer entre les deux hémisphères Nord et Sud. Nous retrouvons ainsi le phénomène constitué par la queue magnétique, et ce avec les implications et les particularités suivantes :
1^o La présence d’une « zone neutre », zone aplatie (quelques centaines de kilomètres) dans la direction sud-nord, le long de laquelle sont étirés des champs magnétiques antiparallèles, encadrant les champs instables, faibles ou nuls, que rencontrent les satellites au centre de cette zone ;
2^o Le maintien de valeurs relativement importantes (de 20 à 40 γ) pour les champs magnétiques trouvés dans la masse même de la queue, et ce même à grandes distances.

L’instabilité attribuable aux champs antiparallèles séparés par une faible épaisseur de plasma a fait penser à des possibilités de reconnexions entre les lignes de force correspondantes, l’énergie alors libérée se précipitant, sous forme d’ondes magnétodynamiques et d’« averses » de plasma, vers les zones inférieures de la magnétosphère et l’ionosphère : origine possible des aurores, des « sous-orages », etc. (v. orage magnétique).

D’autres régions particulières de la magnétosphère ont été mises en évidence : dès 1958, les ceintures de radiation de Van Allen ; plus récemment (1966), la plasmapause (zone de décroissance rapide — vers l’extérieur — de la densité du plasma magnétosphérique), limitant la plasmasphère (comprenant le plasma restant lié à la rotation de la Terre). À sa base, en se raccordant à l’ionosphère, la magnétosphère donne le guide d’ondes iono-magnétosphérique, qui permet la propagation et la distribution mondiale de divers phénomènes magnétiques.

Dynamique

La magnétosphère peut être le siège :
— d’une modification de la position de ses diverses frontières et de ses régions internes ;
— de fluctuations plus rapides, liées souvent à des instabilités, et qui affectent à la fois son champ magnétique et son plasma, ainsi que nous en avons déjà vu un exemple.

Un problème important, et non encore résolu, est celui des modes de transfert d’énergie entre les rayonnements solaires et la magnétosphère, puis entre celle-ci et le sol (en passant par l’ionosphère). En ce qui concerne le premier de ces échanges, la magnétogaine (zone de turbulence quasi permanente située en avant de la magnétopause de jour) paraît jouer un rôle privilégié. Cette zone est la conséquence elle-même de l’onde de choc stationnaire que le vent solaire entretient dans sa « pré-rencontre », d’un type « supersonique » (la vitesse de Alfvén jouant ici le rôle de vitesse du son), avec le champ magnétique terrestre. Il faut remarquer que les mécanismes de transfert ne sont pas toujours directs, des stockages (en énergie et en plasma) à l’intérieur même des diverses régions de la magnétosphère paraissant se produire. Rappelons à ce sujet qu’un champ magnétique peut garder emprisonnées (piégées est le terme consacré) des particules chargées à l’intérieur de portions de tube de force, ces particules spiralant autour du champ et se réfléchissant alternativement entre deux sections droites du tube où le champ est plus intense (« bouteille magnétique »). C’est ainsi que s’expliquent, par exemple, les concentrations de protons et d’électrons dans les zones de radiation de Van Allen. Des déformations transitoires du champ peuvent permettre le dépiégeage (v. orage magnétique et aurore polaire).