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La Terre, berceau de l'Humanité Structure géomagnétique (IV) La magnétosphère terrestre (géomagnétosphère) est une région entourant la Terre résultant de la combinaison du champ magnétique propre de la Terre appelé le champ principal qui est entretenu par le noyau externe de la Terre et la magnétosphère à proprement dit qui est alimentée par des flux de courants électriques suite à son interaction avec les électrons émis par le vent solaire. La densité de ces flux de courants varie en fonction de l'activité solaire ce qui explique également la variation de l'intensité et de la forme de la géomagnétosphère. Outre le champ géomagnétique, la Terre est également ceinturée par deux autres couches électrisées, les Ceintures de Van Allen et les couches ionosphériques. Quelles sont les propriétés et les effets de ces trois composantes ? En prenant une boussole en main, chacun a déjà remarqué que l'aiguille aimantée s'oriente sans coup férir dans une direction bien précise, à quelques degrés du pôle géographique... Sur les traces du physicien anglais William Gilbert (XVIIeme siècle), on peut assimiler la Terre à une sorte de gros aimant bipolaire dont le champ magnétique est généré par l'effet d'une "dynamo auto-excitée". Le sujet étant assez complexe et faisant toujours l'objet d'études, il sera traité dans un article séparé. A lire : Le champ magnétique terrestre
L'inversion du champ géomagnétique Nous savons que le champ principal présente deux pôles de polarités opposées dont l'axe est incliné d'environ 11.6° par rapport aux pôles géographiques, ce qu’indique la boussole. Depuis les études sur le géomagnétisme effectuées par les physiciens Patrick Blackett, prix Nobel en 1948, Keith Runcorn et Ted Irving en 1959, nous savons que l'intensité du champ géomagnétique est voisine de 6x10-3 teslas (0.6 Gauss) au sol. C'est le champ magnétique le plus fort de toutes les planètes telluriques. Depuis 1600 environ, il diminue de 0.04% par an. En 2005, le moment dipolaire qui mesure l'intensité du champ magnétique à la surface de la Terre était de 7.776 x 10 22 Am2 contre 7.779 x 1022 Am2 en 2000. Il fut en moyenne de 7.5 x 1022 Am2 depuis la dernière inversion magnétique survenue voici 780000 ans.Tout aussi intéressant, si on analyse la latitude du pôle géomagnétique depuis 1600, on constate qu'elle s'écarte des 90° mais depuis 1950 le dipole axial s'aligne de plus en plus avec l'axe de rotation de la Terre. Autrement dit, même si l'intensité du champ magnétique décroît depuis 1600 il n'est pas en train de s'inverser, que du contraire. Contrairement à l'inversion quasi-périodique du champ magnétique solaire qui suit une période de 22 ans, le champ magnétique terrestre est instable pour une raison inconnue, sans doute liée aux propriétés du noyau. Les inversions magnétiques sont espacées de 5000 à 60 millions d'années. La dernière inversion est survenue il y a 780000 ans. Certains géologues pensent que notre planète est en retard sur ce cycle qu'ils jugent quasi-périodique mais personne ne sait exactement quand se produira la prochaine inversion géomagnétique car globalement ces inversions ont un comportement chaotique. Elle peut donc se produire demain ou dans 60 millions d'années. Certains géophysiciens de l'AGU pensent toutefois que dans 1200 voire 2000 ans, les polarités seront inversées. Mais bien malin celui qui pourrait le certifier.
La question qui se pose aujourd'hui est de savoir ce qu'implique une inversion de polarité du champ géomagnétique et que se passera-il le jour où le noyau de la Terre se refroidira ? A regarder les autres planètes ou satellites morts prématurément, Mars ou la Lune par exemple, certains considèrent que notre futur n'est pas très enviable; il n'est pas impossible en effet que la solidification du noyau nous prive non seulement de chaleur mais entraîne la disparition du champ magnétique global et... la mort de notre planète. Toutefois cette hypothèse est purement spéculative. Des astrophysiciens ont suggéré en 2004 que si le champ magnétique terrestre disparaissait soudainement, les collisions entre le plasma ionisé du vent solaire et l'ionosphère pourraient générer des courants électriques suffisamment forts pour former un bouclier magnétique dont l'intensité serait comparable au champ géomagnétique actuel. Par ailleurs, si on analyse les événements qui se sont produits au cours de la dernière inversion magnétique, il semble que ce phénomène n'ait provoqué aucun effet chez les organismes vivants. En fait, nous sommes très peu sensibles aux effets magnétiques. Seuls les oiseaux et certaines créatures marines (les cétacés notamment) en tirent profit grâce à la magnétite contenue dans leurs cellules. Pour nos part, même si le coeur de la Terre devenait froid, cela ne changerait pas grand chose car notre principale source d'énergie reste le Soleil et nous sommes bien plus sensibles aux conditions météorologiques qu'aux variations magnétiques. L'étude du champ géomagnétique est très complexe et commence seulement à livrer ses secrets, raison pour laquelle j'ai consacré un article spécial à ce sujet. C'est un très intéressant champ d'études dont on reparlera certainement beaucoup dans les années à venir. Les Ceintures de Van Allen et la SAA Plus loin de la Terre, les premiers satellites artificiels ont mis en évidence deux ceintures de rayonnements, les Ceintures de Van Allen, vers 3000 et 20000 km d'altitude dans le prolongement de l'équateur. Ces ceintures piègent les protons et les électrons issus du Soleil et s'y accumulent. Les particules qui ne sont pas piégés pénètrent dans la haute atmosphère par les pôles et y provoquent des orages magnétiques, le phénomène de fading et des aurores polaires. Dans l'Atlantique Sud, suite à une inversion du champ géomagnétique, cette ceinture descend sous 500 km d'altitude, c'est la "South Atlantic Anomaly" ou SAA. Des protons de plus de 50 MeV y circulant, cette anomalie géomagnétique entraîne des perturbations sur les satellites orbitant à cette altitude et qui traversent cette région. Au niveau géomagnétique, ce phénomène est lié à une tache de flux inverse située à cet endroit dans l'hémisphère Sud. Nous en reparlerons à propos de certains phénomènes OVNI soi-disant inexpliqués et de l'impact du rayonnement solaire sur les satellites artificiels.
L'ionosphère Beaucoup plus bas, entre 50 et 500 km d'altitude environ, nous rencontrons des particules ionisées, c'est l'ionosphère, à laquelle je consacre un important dossier dans la rubrique radioamateur rédigée en anglais. Elle se stratifie en trois couches, D, E et F, dont les propriétés électromagnétiques permettent des communications sur de longues distances. Comment s’est-elle formée et pourquoi à ces altitudes ? La présence de l’ionosphère est le résultat de deux phénomènes opposés : d’une part la densité de l’atmosphère neutre diminue avec l’altitude et d’autre part la quantité d’UV extrême augmente avec l’altitude. L’union de ces deux processus crée à une certaine altitude une densité maximale correspondant aux couches ionosphériques. La couche F, la plus éloignée, se situe vers 200 km d'altitude. Sa densité est de l'ordre de 2 millions d'électrons/cm3, une valeur qui varie en fonction de la quantité d'ultraviolet qu'elle reçoit du Soleil. Pendant la journée cette couche se divise en F1 (vers 350 km) et F2 (vers 500 km).
La couche E se situe entre 90 et 150 km d'altitude. Sa densité suit fidèlement le cycle solaire. C'est une couche sporadique. Certaines zones ionisés se déplacent à 400 km/h, perturbant les télécommunications. Cette couche tente à disparaître la nuit comme le montre bien l'animation présentée ci-dessous. La couche D se situe aux alentours de 50 à 90 km d'altitude et offre la particularité d'absorber les ondes-courtes. Sa densité n'atteint pas 10000 électrons/cm3 et n'est pas mesurable de nuit. Elle reste malgré tout un obstacle majeur après les éruptions solaires chromosphériques car ces dernières provoquent indirectement une interruption totale des communications : ce sont les perturbations ionosphériques brusques. Dans la troposphère enfin, en-dessous de 11 km d'altitude dans nos contrées, suite à des effets d'inversion de température (inversion thermique, anticyclone) les couches de la troposphère, telles des couloirs aériens, peuvent guider les signaux radioélectriques sur des milliers de kilomètres.
Documents NASA/Geophysical Institute/U.Alaska. Phénomènes Lumineux Transitoires (TLE) Alors que nous étudions et traversons l'atmosphère en tout sens depuis bientôt un siècle, l’ionosphère nous réserve encore des surprises. A côté des éclairs de rayons gamma que l’on a détecté dans l’ionosphère, à partir de 1989 les astronautes de la navette spatiale ont découvert un autre phénomène tout à fait étonnant. Entre 30 et 50 km d’altitude, des jets surgissent au-dessus des nuages d’orage, desquels ils s’échappent sous forme de filaments bleutés. Jusqu'à 100 km d'altitude environ, où la densité électronique diminue fortement, apparaissent également des "gigantic jets" (GJ), des "sprites" et autre "elfes" (voir schéma ci-dessous). Ces phénomènes lumineux sont transitoires et ne durent que deux ou trois millièmes de seconde. Les sprites (lutins en français) ont été découverts en 1994 par une équipe de chercheurs du Geophysical Institute américain au cours d'un vol au-dessus des cellules orageuses qui se développent régulièrement au dessus du Midwest (Oklahoma). Des témoins avaient déjà rapporté leur existence mais les scientifiques n'y croyaient pas jusqu'à cette mission scientifique réalisée en collaboration avec la NASA et l'USAF. Les sprites ressemblent à des éclairs rouges et s'étendent sur plus de 40 km d'altitude.
Les "gigantic jets" (GJ) ont été découverts en 2001 par le Dr Victor Pasko à Porto Rico. Depuis, une trentaine de GJ ont été enregistrés. Ils peuvent s'étendre sur 100 km au-dessus des nuages d'orage. Ils ressemblent à un jet de météores, si ce n'est qu'ils apparaissent près de l'horizon et sont émis vers le ciel. Leur lueur peut persister environ une seconde. Ils sont notamment étudiés par Oscar van der Velde du Laboratoire d’Aérologie de l'Université Paul Sabatier de Toulouse, en France. A posteriori le phénomène est plus courant qu'on ne le pense, mais il faut que les conditions d'observation soient réunies, à savoir que les témoins regardent le ciel durant la nuit, soient à bonne distance d'un orage, qu'il y ait des éclaircies, et détectent ces lueurs évanescentes. Les chercheurs pensent qu’il s’agit de bouffées d’ionisation dont l’origine est liée à l’activité ionosphérique[3], un couplage électronique se créant entre les différentes couches de l'ionosphère. Les TLE sont principalement étudiés par un groupe de chercheurs européens réunis dans le cadre du projet CAL (Coupling of Atmospheric Layers). Le blog Eurosprite rassemble également de la documentation sur ces phénomènes. A voir : What's up in Space (Spaceweather) (GJ filmés en Oklahoma le 20 août 2007)
A grande échelle, le champ géomagnétique est confiné dans un gigantesque espace, la magnétosphère, qui s'étend sur plus de 12 rayons terrestres. Elle est écrasée en direction du Soleil par la pression du vent solaire tandis qu'elle s'étire indéfiniment dans la direction opposée, formant une queue sur plus de 100 rayons terrestres qui traverse l'orbite de la Lune, non sans produire sur notre satellite quelques effets lumineux transitoires (voir les LTP). La magnétosphère participe également à la formation des aurores en canalisant ou stockant les particules chargées issues du Soleil et des étoiles proches.
Documents NASA/Geophysical Institute/U.Alaska et Kevin Parker/VK4BKP Prochain chapitre
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