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CHAPITRE 5

L’enveloppe gazeuse de la Terre

le couple atmosphère – hydrosphère

Stratification électromagnétique de l'atmosphère

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C - Stratification électromagnétique de l'atmosphère :

On distingue communément 3 strates :

1)      neutrosphère ;

2)      ionosphère ;

3)      magnétosphère

1 - La neutrosphère et l’ionosphère

Il aura fallu attendre 1901 et les expériences de transmissions radio à longue distance de G. Marconi pour déceler l’existence de couches conductrices dans l’atmosphère. Comment l’onde radio pouvait-elle suivre la courbure terrestre ? O Hearside émit l’hypothèse que les ondes devaient être guidées entre l’océan d’une part et une couche suffisamment conductrice dans l’atmosphère pour les piéger d’autre part.

L’air des 70 premiers Km de l’atmosphère n’est pas conducteur, on appelle cette couche basse la neutrosphère. Au-delà commence l’ionosphère. A cette altitude la quantité d’ions et d’électrons libres arrachés par les UV courts et le rayonnement X solaire est suffisante pour rendre l’atmosphère conductrice. Dans le champ d’une onde radio, les électrons oscillent et réémettent cette onde. La densité croissante d’électrons avec l’altitude a pour effet d’incurver, et finalement de réfléchir cette onde radio vers la Terre. En fait l’augmentation de la “ concentration ” électronique n’est pas linéaire. Elle passe par 3 maxima, qui constituent 3 réflecteurs radios (Fig. 2) :

1 -   la région D, située vers 80-90 Km d’altitude

2 -   la région E, située aux alentours de 100 Km

3 -   les régions F1 et F2, situées vers 180 et 350 Km.

Dans l’ionosphère, l’atmosphère n’est que très partiellement ionisée, et les phénomènes qui s’y passent sont encore largement du domaine de la physico-chimie des espèces neutres.

2 - La magnétosphère

La limite entre l’ionosphère et la magnétosphère se situe autour du millier de Km. A cette très haute altitude, l’atmosphère est très fortement ionisée et l’on entre dans le domaine du plasma. Il s’agit d’un plasma à faible densité composé d’électrons et d’ions, dont l’origine est double :

1 - une partie de ce plasma d’origine terrestre, est dite ionosphérique ; rappelons que cette altitude nous situe dans l’exosphère, sous l’influence des X et UV solaire qui transforment les molécules atmosphériques en ions plus électrons ;

2 - une partie de ce plasma provient de la capture de particules du vent solaire par le champ magnétique terrestre au niveau de la magnétopause, qui correspond à la région de reconnexion des champs magnétiques solaires et terrestres, (Chp. 3 Fig. 28).

Les particules de vent solaire qui se déplacent dans l’ionosphère subissent l’influence du champ magnétique terrestre, qui est nord-sud. Par conséquent, Les électrons du plasma solaire sont déviés dans vers l’est (Fig. 29) et inversement, les ions positifs sont déviés vers l’ouest. Ils vont rejoindre le feuillet de plasma de la queue magnétosphérique (fig. 27, Chp. 3).

Deux types de courants électriques prennent naissance avec cette capture (fig. 29):

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Fig. 29: courants magnétosphériques

 

1 -   un courant ouest-est dans le feuillet de plasma du plan équatorial magnétique ;

2 -   un courant aligné sur les lignes du champ magnétique terrestre (électrons spiralant autour des lignes de champ), passant par le vortex, qui rejoint ainsi l’ionosphère proche de la surface terrestre au niveau de l’ovale auroral.

Les électrons spiralant  autour des lignes de champ décrivent un mouvement en hélice dont le pas diminue avec l’augmentation de l’intensité du champ en se rapprochant de la surface de la Terre. Le pas de l’hélice finit par s’annuler, puis il s’inverse, conduisant l’électron à rebondir en quelque sorte en suivant la ligne de champ pour rejoindre la magnétopause en direction du pôle magnétique opposé. En temps ordinaire, le pas devient nul au-dessus de l’ionosphère. Les protons, plus massiques, sont beaucoup plus freinés, et l’intensité du courant correspondant est beaucoup moins forte.

C’est le même phénomène qui piège des électrons et des protons à très haute énergie, sur deux ceintures situées à une distance de 1 rayon terrestre pour la première, et 3 à 5 rayons terrestres pour la seconde. Alignés sur des lignes du champ magnétique (dipolaire) quasi non déformé par le vent solaire, ces particules rebondissent entre pôle Nord et pôle Sud. Cette zone reconnue en 1958 par le satellite Explorer I porte le nom de son découvreur, J.A. Van Allen.

Le champ magnétique issu de la couronne solaire est constamment variable en intensité et en direction, ce qui rend la reconnexion instable, souvent complexe mais parfois aisée, lorsque les lignes du champ solaire sont orientées nord-sud, comme les lignes du champ terrestre.

 Les aurores polaires (quasi symétriques, Fig. 30a) apparaissent lors de captures abondantes de particules de vent solaire. Des flots d’électrons pénètrent alors l’ionosphère et descendent plus bas dans l’atmosphère plus dense de la Terre alors qu’ils ne le devraient pas. Il semble que dans ces conditions, un champ électrique particulier se met en place au-dessus de l’ionosphère. Ce champ temporaire accélère les électrons qui parviennent ainsi jusqu’à la haute atmosphère, et qui y déclenchent une avalanche d’ionisations d’atomes et de dissociations moléculaires. Les couleurs vert-bleu et rose ou pourpre sont dues aux désexcitations respectives des oxygènes atomique et moléculaire (Fig. 30b), et de l’azote (Fig. 30c). Les draperies prennent naissance dans la mésosphère, mais peuvent descendre jusqu’au voisinage du sol, (de l’ordre du Km).

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Fig. 30a : ovales polaires pendant une aurore ;

 

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Fig. 30b-c : draperies vertes et pourpres

 

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