Couplage avec la magnétosphère Par J. De Keyser L`interaction du

Couplage avec la magnétosphère
Par J. De Keyser
L'interaction du vent solaire avec la magnétosphère contrôle la circulation du
plasma dans les régions externes de la magnétosphère. Par contre, dans les
régions internes, le plasma magnétosphérique est entraîné par le mouvement de
rotation synchrone de l'ionosphère avec la Terre. Les circulations du plasma dans
les régions externes et internes de la magnétosphère ne sont cependant pas
indépendantes puisqu'elles sont reliées entre elles par des flux de particules
électriquement chargées, formant un vaste système de courants électriques
magnétosphériques. Bien que les mécanismes impliqués dans ce couplage ne
soient pas encore entièrement élucidés, on ne peut nier que ce circuit électrique
géant dissipe dans l'ionosphère, sous forme de chaleur, une grande partie de
l'énergie puisée dans le vent.
La circulation du plasma magnétosphérique
La circulation du plasma dans la magnétosphère (appelée également "convection
magnétosphérique") est étroitement liée au champ électrique magnétosphérique,
puisque des particules chargées de faible énergie se déplacent sur des surfaces
équipotentielles (c'est-à-dire sur des surfaces où le potentiel électrique est
constant). La figure ci-contre [d'après Nishida, JGR, 71,
5669, 1966] représente un modèle très
simplifié de la circulation du plasma dans le
plan équatorial. La direction du Soleil est à
gauche de la figure. Dans la magnétogaine (à
l'extérieur de la magnétosphère, à gauche sur
la figure), on constate que le plasma contourne
la magnétopause (frontière de la
magnétosphère, représentée par la dernière
courbe en forme de C, à gauche de la figure)
en s'écoulant de gauche à droite, c'est-à-dire
dans la direction opposée au Soleil.
A proximité de la Terre, le plasma suit de façon
synchrone la rotation diurne de notre planète. A
la partie droite de la figure, on constate que le
plasma s'écoule vers la Terre dans les régions
centrales de la queue magnétosphérique. Ce
mouvement résulte de l'interaction du vent
solaire avec les flancs de la magnétosphère.

La circulation du plasma ionosphérique
Dans les régions de la magnétosphère où la densité du plasma est faible, les
lignes de force du champ magnétique sont de très bons conducteurs de l'électricité
: elles se comportent comme des "fils électriques" reliant l'ionosphère à d'autres
régions de la magnétosphère où le plasma est plus dense (comme certaines
régions situées dans la queue). Le champ électrique magnétosphérique - et par
conséquent la circulation du plasma magnétosphérique - est "projeté" dans
l'ionosphère. Cependant, l'ionosphère est un milieu présentant une résistivité (elle
possède une "résistance" électrique de la même façon qu'une bouilloire électrique
en possède une qui dissipe en chaleur l'énergie électrique du réseau). De
nombreux facteurs déterminent la résistivité ionosphérique. Ainsi, est-elle
beaucoup plus petite lorsque l'ionosphère est illuminée par le Soleil. On voit donc
que des variations dynamiques dans l'ionosphère affecteront à leur tour la
convection magnétosphérique.
C'est pourquoi l'image de la convection magnétosphérique illustrée précédemment
est fortement idéalisée.
La figure ci-contre [d'après Nagata et
Kokubun, Rept. Ionosphere Space Res.,
Japan, 16, 256, 1962] illustre la configuration
typique de la circulation ionosphérique
au-dessus de la calotte polaire de
l'hémisphère Nord (la direction du Soleil
correspond à 12 h, alors que 0 h indique
la direction de la queue magnétosphérique).
En parcourant la figure de gauche à droite,
les lignes de force du champ magnétique
ancrées dans l'ionosphère vont relier
successivement les deux cellules de
convection ionosphériques aux deux
schémas de circulation magnétosphérique
de la queue, respectivement ceux
d'avant et d'après minuit.
Des différences de potentiel électrique (des tensions électriques) entre les noyaux
des deux cellules de convection atteignant plusieurs dizaines de milliers de volts
représentent des valeurs typiques. L'intensité de cette différence de potentiel est
fortement contrôlée par les conditions régnant dans le vent solaire.

Les courants électriques reliant la magnétosphère à l'ionosphère
Puisque la conductivité électrique (l'inverse de la résistivité électrique) de
l'ionosphère n'est pas infinie, cette région ne court-circuite pas les différences de
potentiel électrique existant dans la magnétosphère. C'est la raison pour laquelle
des courants électriques sont entretenus dans le système couplé ionosphère -
magnétosphère.
La source d'énergie qui alimente ces courants est le vent solaire, responsable de
la convection dans les régions externes de la magnétosphère. En effet, le
mouvement de charges électriques dans le champ magnétique terrestre produit
une différence de potentiel électrique. Il s'agit d'un effet fort semblable à celui
d'une dynamo de vélo, génératrice d'électricité, où la rotation de la roue
(l'analogue du mouvement du vent solaire) est utilisée pour faire bouger un
conducteur électrique -un rotor- (l'analogue de la convection du plasma
magnétosphérique) dans un petit aimant permanent -un stator- (l'analogue du
champ géomagnétique). Puisque les particules chargées sont essentiellement
guidées par les lignes de force du champ magnétique (qu'elles suivent comme un
rail), le courant électrique engendré par cette dynamo magnétosphérique s'écoule
le long de ces lignes, comme s'il était transporté par de longs fils de cuivre. C'est
pourquoi on a appelé ces courants électriques des "courants alignés". C'est le
physicien norvégien Birkeland qui, le premier, a suggéré l'existence de ces
courants (d'où aussi l'appellation "courants de Birkeland"). Les courants alignés
transportent l'énergie électromagnétique vers le bas, jusque dans l'ionosphère.
Celle-ci présentant une résistivité, l'énergie électromagnétique s'y dissipe sous
forme de chaleur, ce qui entraîne un réchauffement de l'atmosphère supérieure.
L'illustration ci-contre représente un schéma plus
détaillé du circuit électrique global. Sur cette
figure, on regarde le système de courants en se
plaçant dans la queue magnétosphérique et en
regardant en direction du Soleil. La source
électromotrice magnétosphérique (le générateur
électrique) est constamment approvisionnée par le
mouvement du vent solaire. En partant de la borne
positive du générateur (en haut, à droite sur la
figure), on constate que le courant pénètre d'abord
dans les régions polaires, sous forme d'un courant
aligné qui s'écoule le long de lignes de force
ouvertes de la magnétosphère juste adjacentes à
la magnétopause (ces lignes sont dites "ouvertes"
car elles s'étendent très loin dans la queue
magnétosphérique). Le courant s'écoule ensuite
horizontalement dans l'ionosphère (au travers de
l'ovale auroral) où il dissipe une partie de son
énergie dans la résistance ionosphérique.

Il ressort de l'ionosphère, à nouveau sous forme de courant aligné, mais cette
fois le long d'une ligne de force fermée. Lorsqu'il rencontre le "feuillet de plasma"
(mince couche de plasma situé plus ou moins dans le plan équatorial, en direction
de la queue magnétosphérique), le courant est dévié transversalement au travers
de la queue magnétosphérique et contribue de la sorte au courant électrique
annulaire entourant la Terre dans le plan équatorial (sa contribution est parfois
appelée "courant annulaire partiel"). Le circuit électrique se complète en suivant un
chemin symétrique par rapport au plan méridien midi-minuit. Il emprunte ainsi à
nouveau des lignes de force fermées du champ géomagnétique pour plonger
une fois encore dans l'ionosphère et y dissiper une partie de son énergie.
Le courant traverse l'ovale auroral et le circuit se referme (à gauche sur la figure)
en remontant le long des lignes de force ouvertes jusqu'à la borne négative du
générateur magnétosphérique.