jeudi 20 mars 2014

Les Ceintures de Van Allen Zébrées de Rayures par la Rotation de la Terre

La découverte de l'existence de ceintures de particules chargées autour de la Terre remonte à la fin des années 1950, grâce aux tous premiers satellites envoyés en orbite. Ces régions du proches espace entourant notre planète portent désormais le nom de leur découvreur américain James Van Allen.


Schéma des ceintures de Van Allen (NASA)
Mais si elles sont connues depuis plus de 50 ans, les ceintures de Van Allen, qui nous protègent du rayonnement cosmique en le déviant grâce au champ magnétique qu'elles produisent, recèlent pourtant toujours certains mystères. 
C'est pour les étudier en détails que deux sondes jumelles sont actuellement en orbite et c'est grâce à ces sondes, appelées simplement Van Allen 1 et 2, parcourant la ceinture interne à 13000 km d'altitude, que des structures très curieuses viennent d'être mises en évidence.

Une des questions qui restent toujours en suspens concerne la nature des ceintures interne et externe (car il y en a deux). On sait que la ceinture interne est peuplée d'électrons se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, et que la ceinture externe comporte surtout des protons eux aussi énergétiques mais en moins grand nombre. Mais on n'en sait guère plus.

Les sondes Van Allen sont toutes les deux munies d'un instrument de mesure appelé RBSPICE (Radiation Belt Storm Probes Ion Composition Experiment), qui a pour but d'enregistrer le nombre d'électrons rencontrés en fonction de leur énergie et de leur distance radiale de la Terre. 
La découverte qu'ont faite A. Ukhorskiy et ses collègues de l'Université Johns Hopkins fait l'objet d'un article dans la revue Nature de cette semaine. Ils observent, lorsqu'ils tracent les graphes de l'intensité des électrons en fonction de leur distance et de leur énergie, que des structures en formes de rayures apparaissent. 


Flux d'électrons mesurés (à gauche) et modélisés (à droite)
en période calme (en haut) et par fort vent solaire (en bas)
(Ukhorskiy et al.)
Alors qu'on pensait auparavant que de telles variations régulières et très structurées ne pouvaient être dues qu'à des variations locales induites par des orages magnétiques (éruptions solaires), les auteurs observent toujours ce type de distribution quand l'intensité du vent solaire est très faible, et elles sont même plus développées par "temps calme".

Le développement d'une modélisation complète des phénomènes a alors permis aux physiciens de démontrer que les formes observées sont produites par la rotation de la Terre. 
Les électrons de la ceinture de Van Allen sont confinés par le champ magnétique terrestre qui agit comme un dipôle magnétique, où ils subissent une lente dérive longitudinale autour de la planète du fait du gradient et de la courbure du champ magnétique. Et la rotation de la Terre induit des variations diurnes globales de ses champs magnétique et électrique qui interagissent en résonance avec les électrons, dont la période de dérive est très proche de 24 heures. Il s'ensuit une modification des flux d'électrons sur une large plage d'énergie en formant un motif régulier composé de plusieurs bandes et rayures sur la totalité de la ceinture interne.

Ces nouvelles données vont permettre aux planétologues d'affiner grandement leurs concepts de dynamique des ceintures de radiation. Ces résultats vont également mettre en lumière la nature de la dynamique des ceintures d'autres planètes comme Jupiter, Neptune et Uranus car ces planètes possèdent toutes une période de rotation très courte et un écart important entre leur axe de rotation et leur axe dipolaire magnétique (à l'inverse de Saturne).


Source :
Ukhorskiy, A., Sitnov, M., Mitchell, D., Takahashi, K., Lanzerotti, L., & Mauk, B. (2014). Rotationally driven ‘zebra stripes’ in Earth’s inner radiation belt Nature, 507 (7492), 338-340 DOI: 10.1038/nature13046