Première détection expérimentale d’un vent plasmasphérique dans la magnétosphère terrestre

Tuesday, 2 July 2013

Une étude menée à l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (OMP-IRAP-CNRS/Université Paul Sabatier Toulouse III) fournit la première confirmation expérimentale de la présence d’un vent plasmasphérique dans la magnétosphère terrestre. L’existence de ce vent, transportant continuellement du plasma froid de la plasmasphère vers la magnétosphère externe, avait été postulée à partir de calculs théoriques de stabilité du plasma depuis 19921,2. Cependant, sa détection échappait jusqu’à présent aux observations. Cette étude, basée sur l’analyse des mesures ioniques obtenues par l’expérience CIS3 à bord des satellites Cluster4, a permis de confirmer sa présence et d’évaluer son rôle dans la perte de masse de la haute atmosphère ionisée. Elle est publiée le 2 juillet dans Annales Geophysicae.

La plasmasphère est une zone toroïdale (en forme de chambre à air) autour de la Terre, au-dessus de l'ionosphère, qui constitue le plus important réservoir de plasma à l’intérieur de la magnétosphère (Figure 1). Sa configuration, très dynamique, est liée au niveau d’activité géomagnétique. Lors de périodes de forte activité, comme les orages magnétiques, des morceaux entiers de plasma se détachent de la plasmasphère et sont éjectés vers la magnétosphère externe, constituant des « plumes plasmasphériques ».


Figure 1 : Vue schématique de la plasmasphère terrestre. La plasmasphère est peuplée d’un plasma dense et froid (quelques eV) d’origine ionosphérique. Elle occupe la partie interne de la magnétosphère terrestre. © Windows to the Universe (http://www.windows2universe.org/)

Est-ce que ces plumes constituent le seul mode d’éjection de plasma vers la magnétosphère externe? En 1992, Lemaire et Schunk avaient proposé un mode supplémentaire : l’existence d’un vent plasmasphérique, transportant continuellement du plasma froid de la plasmasphère vers l’extérieur, même pendant les périodes d’activité magnétique calme (Figure 2). Ce vent, à travers les lignes de force du champ géomagnétique, était postulé à partir de calculs théoriques de stabilité du plasma. Il est similaire à l'expansion équatoriale de la couronne solaire, qui donne naissance au vent solaire.
Figure 2 : Simulation numérique de la formation du vent plasmasphérique par le mécanisme de l’instabilité d’interchange. Cette instabilité se développe suite au déséquilibre entre les forces gravitationnelle, centrifuge, et celles dues aux gradients de la pression2,3. La figure montre le déplacement des éléments du plasma (symboles x bleus) à partir de leurs positions initiales (points noirs, alignés sur les lignes de forces du champ magnétique qui sont représentées par les courbes noires). L’arc le plus interne de symboles x bleus était ainsi initialement aligné sur la ligne du champ magnétique la plus interne et ainsi de suite. Comme le démontre cette figure, le transport radial vers l’extérieur est maximum au niveau de l’équateur géomagnétique. © Extrait d’une simulation numérique disponible sur http://plasmasphere.aeronomie.be/plasmaspherewindsimulation.htm (Institut d’Aéronomie Spatiale de Belgique), fournie gracieusement par Joseph F. Lemaire. L’analyse des mesures ioniques obtenues par l’expérience CIS à bord des satellites Cluster a permis, pour la première fois, de confirmer la présence de ce vent plasmasphérique et de mesurer sa vitesse, qui est de l’ordre de 1 km par seconde. Ces mesures qui ont été obtenues lors des passages au périgée des satellites, ont nécessité pour l’instrument l’utilisation d’un mode de fonctionnement spécial, ainsi que l’élaboration d’une technique adaptée de filtrage et d’analyse des données.
Le vent plasmasphérique constitue un mécanisme supplémentaire de perte de plasma pour la plasmasphère, mais en même temps il constitue aussi une source de plasma pour la magnétosphère externe. La perte de masse, due à ce vent, est de l’ordre de 1 kg par seconde. Ceci est un élément important dans le bilan de masse de la plasmasphère (équilibre sources-pertes) et a des implications sur le temps de « remplissage » de nouveau de la plasmasphère, après son forte érosion qui résulte d’un sévère orage géomagnétique. A cause du vent plasmasphérique, remplir avec du plasma la plasmasphère (à partir de l’ionosphère au-dessous) c’est comme remplir avec du liquide un récipient troué. A noter aussi que la plasmasphère, en tant que réservoir principal de plasma dans la magnétosphère interne, est en interaction avec les ceintures de radiations et joue un rôle déterminant sur la dynamique de ces ceintures.
Des vents similaires devraient exister aussi autour d’autres planètes, ou objets astrophysiques, en rotation autour de leur axe et possédant une atmosphère ionisée et un champ magnétique intrinsèque. Ils constitueraient, pour ces planètes, un mode supplémentaire d’échappement atmosphérique dans l’espace.

Note(s): 
  1. Plasmaspheric wind, J. F. Lemaire et R. W. Schunk, J. Atmos. Terr. Phys., 1992
  2. Convective instabilities in the plasmasphere, N. André et J. F. Lemaire, J. Atmosph. Sol.-Terr. Phys., 2006
  3. Cluster Ion Spectrometry: expérience de spectrométrie ionique préparée par un consortium international, sous la responsabilité principale de l'IRAP (ex-CESR), et avec le soutien du CNES (http://cluster.irap.omp.eu/).
  4. Cluster : constellation de quatre satellites en configuration tétraédrique sur une orbite très excentrique autour de la Terre (http://sci.esa.int/cluster/). Projet ESA en collaboration avec la NASA. La mission a été récemment prolongée jusqu’en 2016 par l’ESA : http://smsc.cnes.fr/CLUSTER/Fr/
Pour en savoir plus: 

Le communiqué de presse de l'EGU (anglais) : http://www.egu.eu/news/66/cluster-spacecraft-detects-elusive-space-wind/

Contact(s):
  • Iannis Dandouras, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (OMP/IRAP-CNRS/Université Paul Sabatier Toulouse III)
    Iannis [dot] Dandouras [at] cesr [dot] fr, 05 61 55 83 20