Mise en évidence de l'accélération rapide et cohérente des particules des ceintures de radiation pendant les orages magnétiques

Lundi, 15 avril 2013

Une équipe internationale, dont des chercheurs de l’IRAP1 et du LPP2, vient de démontrer l’existence très fréquente d’une accélération cohérente, en quelques dizaines de minutes, des électrons et des protons des ceintures de radiation de la Terre par des ondes à Ultra Basse Fréquence3. Ces ondes UBF sont associées à la compression soudaine du champ magnétique terrestre lors d’orages magnétiques à l’orbite de la Terre. Grace à la mission française Demeter4 et au détecteur de particules embarqué, qui possède une excellente résolution en énergie, des structures complexes en énergie ont en effet pu être mise en évidence pour la première fois et expliquées. Ces travaux sont publiés ce mois-ci dans le Journal of Geophysical Research.



Figure 2 : Distribution géographique des flux des électrons de 200 keV à 650 km d’altitude (code de couleur), avec en rouge l’anomalie magnétique de l’Atlantique Sud. Ici le faible champ géomagnétique entraine l’abaissement du point miroir des particules jusqu’à l’altitude du satellite Demeter. Les régions (noir) situées au Nord et au Sud de l’anomalie présentent les bandes en énergie caractéristiques de l’accélération résonante des particules avec des ondes UBF. C’est l’asymétrie du champ géomagnétique qui permet leur détection à basse altitude. Aux altitudes plus élevées ces zones encerclent la Terre.


C’est la résonnance entre le mouvement de dérive des particules autour de la Terre et le champ électrique d’ondes UBF qui cause ces structures. Ces ondes ont pu être détectées directement au sol et caractérisées en comparant les données de magnétomètres simultanément obtenues aux États-Unis et en Europe, en particulier à l’Observatoire magnétique de Chambon-la-Forêt5. Il s’agit de pulsations quasi-monochromatiques de grandes longueurs d’onde qui circulent autour de la Terre avec des vitesses qui dépendent de leur longueur d’onde azimutale6. Chaque mode résonne avec des particules dont la vitesse de dérive autour de la Terre est égale à sa leur vitesse de phase. Il s’agit d’un phénomène cohérent qui transporte les particules vers la Terre et les accélère efficacement. Ce phénomène est observé dans la ceinture interne, à des distance de l’ordre de 1 à 1.7 rayons terrestres, où les ondes ont une période de 20 minutes environ, et à de plus grandes distances (2,5-3,5 rayons terrestres), où les ondes en cause ont une période caractéristique de 1 minute environ. Ces accélérations, vues au niveau de la Terre au voisinage de l’anomalie magnétique de l’Atlantique Sud (Figure 2), sont des processus fréquents qui accompagnent les orages magnétiques, même de faible amplitude.

Cette résonnance n’avait pas été mise en évidence auparavant car les détecteurs de particules usuels étaient conçus pour étudier les variations du flux mesuré dans de larges fenêtres ou bandes en énergie où les structures étaient enfouies. A partir des observations de Demeter, des simulations numériques ont été conduites couplant le mouvement des particules de grande énergie à un modèle analytique des ondes tenant compte de leurs principales caractéristiques. Ces simulations reproduisent bien les observations (Figure 3).

Actuellement, après le tir en août 2012 des deux satellites américains RBSP7  destinés à l’étude des ceinture de radiation de la Terre, la communauté internationale possède les outils adéquats pour déterminer comment les ondes sont produites, soit par couplage direct entre le vent solaire et la magnétosphère de la Terre, soit par instabilité interne et comment elles affectent la dynamique globale des ceintures de radiation de la Terre. Des processus similaires sont attendus dans les magnétosphères des planètes géantes, Jupiter et Saturne.

Note(s): 
  1. Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP-OMP/CNRS-Université Paul Sabatier Toulouse III)
  2. Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP-CNRS/École Polytechnique/Université Paris Sud/UPMC)
  3. Les ondes UBF, pour Ultra Basses Fréquences, sont ici des ondes électromagnétiques avec une période entre 30 et 1200 secondes, une longueur d’onde comprise entre 1000 km et 40000 km.
  4. Plus d’informations sur le satellite Demeter : http://demeter.cnrs-orleans.fr/dmt/index.html
  5. Observatoire magnétique national de Chambon-la-Forêt appartenant à l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP-CNRS/UPMC/Université Paris Diderot): http://www.ipgp.fr/pages/03050204.php
  6. Les ondes sont quasi-monochromatique (fréquence fixe). Dans le référentiel de chaque onde les particules qui se déplacent autour de la Terre avec la vitesse de l'onde voient un champ électrique constant qui les accélère continûment. Les longueurs d'onde des diverses composantes des ondes sont des sous-multiples de la longueur d'onde maximale et il en est de même pour les vitesses de phase des ondes.
  7. Plus d’informations sur les satellites Radiation Belt Storm Probes (RSBP) de la NASA : http://vanallenprobes.jhuapl.edu/mission/overview.php
Source(s): 

Inner radiation belt particle acceleration and energy structuring by drift resonance with ULF waves during geomagnetic storms, J.-A. Sauvaud, M. Walt, D. Delcourt, C. Benoist, E. Penou, Y. Chen, C. T. Russell, Journal of Geophysical Research, 2013

Contact(s):
  • Jean-André Sauvaud, IRAP-OMP (CNRS/Université Paul Sabatier-Toulouse III)
    jean-andre [dot] sauvaud [at] irap [dot] omp [dot] eu, 05 61 55 66 76

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