La découverte du champ magnétique

Découverte des ceintures de radiations
Par M. Kruglanski
L'existence des ceintures de radiations a été pressentie au début du XXe siècle,
bien avant leur découverte expérimentale par des mesures satellitaires. Le sujet a
été introduit par le Norvégien Birekeland intéressé à comprendre l'origine des
aurores. Ce faisant, il montra en 1896 que les électrons d'un rayon cathodique
semblaient être guidés vers les pôles d'une sphère magnétisée. Pour comprendre
cette observation, Stoermer (un autre norvégien) rechercha des solutions
mathématiques liées au mouvement de particules chargées énergétiques à
proximité d'un barreau aimanté (dipôle magnétique). Les travaux de Stoermer ne
permirent pas d'expliquer le phénomène des aurores, mais ils furent d'une grande
utilité pour l'étude des ceintures de radiations et des rayons cosmiques. En effet,
Stoermer montra que, pour certaines conditions de départ, les particules chargées
pouvaient être piégées par le champ magnétique du barreau. Le champ
magnétique terrestre étant comparable à celui d'un barreau aimanté, il pouvait, lui
aussi, piéger des particules de haute énergie.
Stoermer ne fut pas le seul à travailler sur le mouvement de particules chargées
dans un champ magnétique. En, 1896, Poincaré décrivit le rebond (au point miroir)
des particules chargées lorsqu'elles atteignent une certaine intensité du champ.
En 1929, Gunn décrivit le lent mouvement de dérive autour de la Terre des
particules piégées. Dans les années cinquante, l'intérêt pour la fusion nucléaire
contrôlée entraîna de nombreux travaux sur le mouvement de particules chargées
dans un champ magnétique. Alfven introduit notamment le mouvement du centre
guide et la définition du premier invariant.
En 1957, juste avant la découverte des ceintures de radiations, Singer suggéra
l'existence d'une boucle de courant (autour de la Terre) due au mouvement de
dérive de particules de faibles énergies piégées par le champ magnétique. Le
concept de boucle de courant avait déjà été avancé par Stoermer pour expliquer
la défaillance de sa théorie vis à vis des aurores, par Schmidt pour expliquer la
phase principale des tempêtes magnétiques, et par Chapman dans sa description
de l'interaction du vent solaire avec le champ magnétique terrestre.
En janvier 1958, les Américains lançaient avec succès leur premier satellite :
Explorer 1 (illustré sur la figure ci-contre). Contrairement aux satellites russes
(Spoutnik 1 et 2) déjà sur orbite, Explorer fut placé sur une orbite très elliptique,
culminant à une altitude de 2500km. Dessiné par un groupe de l'université d'Iowa
sous la direction de Van Allen, le satellite était équipé d'un compteur Geiger afin
de mesurer l'intensité des rayons cosmiques en fonction de l'altitude.

L'équipe de Van Allen découvrit les ceintures de
radiations en remarquant que le signal du compteur
augmentait graduellement pour, juste après, chuter
brutalement à zéro.
Le satellite passait dans une région où les radiations
étaient tellement élevées que la capacité du compteur
Geiger était dépassée et qu'il saturait. Les ceintures
de radiations étaient découvertes. La découverte fut
confirmée peu après par le satellite Spoutnik 3.
En août et septembre 1958, l'US Air Force fit exploser
à très hautes altitudes, dans l'Atlantique sud, trois bombes atomiques suite à une
proposition du grec Christofilos de créer des ceintures de radiations artificielles.
Les explosions nucléaires injectèrent de nombreux électrons très énergétiques
dans la magnétosphère. Certains de ces électrons furent responsables d'aurores
artificielles qui purent s'observer aux larges de l'archipel des Açores! D'autres
créèrent effectivement une ceinture artificielle durant plusieurs semaines qui fut
étudiée par le satellite Explorer 4.
En juillet 1962, l'essai d'une bombe H au-dessus d'Hawaii injecta également des
électrons énergétiques dans les ceintures de radiations mais dans une zone plus
stable, où certains restèrent piégés plusieurs années.
Dès la découverte des ceintures de Van Allen, de nombreux satellites
embarquèrent des instruments pour observer le structure et la dynamique des
ceintures de radiations. Parallèlement des études théoriques ont été entreprises
pour comprendre et modéliser les phénomènes observés.
En 1991, les données recueillies par le satellite américain CRRES montrèrent que
les ceintures de Van Allen ont une structure nettement plus dynamique que
pressenti auparavant : en moins d'une heure, de nouvelles ceintures de radiations
pouvaient apparaître suite à un orage magnétique et persister durant des mois.
Les observations du satellite CRRES relancèrent l'intérêt de la communauté
scientifique pour l'étude des ceintures de radiations qui s'intègre actuellement
dans un nouveau domaine : la météorologie spatiale.