Les magnétosphères dans le système solaire

Une magnétosphère est le résultat d'une collision entre le champ magnétique intrinsèque d'une planète et le vent solaire. Une magnétosphère est une région, en forme de comète, qui est générée, à une planète ou un satellite du système solaire, par l'interaction de ces corps célestes avec le vent solaire. Ces régions sont formées d'un plasma ionisé et magnétisé. Pour ce qui est de la Terre, la magnétosphère y est produite par la magnéto interne qui est induite par les relations entre le coeur en fusion de notre planète et le manteau. Un autre mécanisme, qui peut produire une magnétosphère peut n'être que la simple interaction entre la haute atmosphère d'une planète, la ionosphère et le vent solaire. L'étude des magnétosphères des planètes et satellites du système solaire sont également un moyen de comprendre l'intérieur de ces corps. Qu'elles soient ionosphériques ou magnétiques, les magnétosphères présentent souvent des comportements identiques. Ainsi les "anomalies de flux chaudes" (en anglais "hot flow anomalies", HFA), qu'on peut observer pour la Terre, Vénus, Saturne, Mars ou Mercure: elles consistent en du vent solaire très chaud dévié par le front de choc de la magnétosphère (elles ont la forme comme d'une corne du front de choc); les HFA résultent de plaques géantes de courant électrique et ont des tailles diverses (de 960km à Vénus jusqu'à 96500km à Saturne). Le facteur le plus important qui détermine la taille des HFA est la géométrie et la taille du front de choc de la magnétosphère de la planète. Une meilleure compréension de comment fonctionne le flux d'ions d'oxygène venant de la haute atmosphère et entrant dans une magnétosphère pourrait aider à comprendre pourquoi Mars, avec son très faible champ magnétique, perd son atmosphère alors que Vénus, qui n'en a pas, conserve son atmosphère très épaisse. Les modèles, en termes de la relation entre l'axe de rotation d'une planète et l'axe du champ magnétique, permettent de penser qu'il est nécessaire qu'il existe au moins un léger décalage entre ceux-ci pour permette que perdure le champ magnétique. Les magnétosphères, d'une façon générale, sont vraisemblablement un facteur-clé pour que la vie se développe sur une planète: elles protègent ces dernières des radiations et de l'érosion des atmosphères. Les interactions entre les particules chargées et les champs magnétiques ont lieu très près des planètes, pour ce qui est des géantes gazeuses, d'une façon générale

Les magnétosphères ionosphériques

Vénus, dont le champ magnétique est 25000 fois plus faible que celui de la Terre, ou Mars -5000 fois plus faible- n'ont que des "magnétosphères atmosphériques". Le fait que Vénus tourne très lentement sur elle-même (même si la planète possède un coeur en fusion) peut être une explication de l'absence d'une magnétosphère classique à base de magnéto mais son atmosphère considérable ainsi que son ionosphère modifient le flux des particules solaires (l'ionosphère en particulier crée un bow shock qui empêche le vent solaire de pénétrer dans l'atmosphère). Pour Mars, l'absence d'un coeur en fusion pour Mars peutt être l'explication du manque d'un champ magnétique. Mars ne possède que des points localisés de champ magnétique (qui pourraient être les restes d'un ancien champ magnétique global). Les magnétosphères ionosphériques ont une structure semblable à celle des magnétosphères à base de magnéto, à savoir, une onde de choc, devant la planète, et une queue. La pression du vent solaire, par ailleurs, peut -ou peut ne pas- être compensée par la pression thermique de la ionosphère. Dans les deux cas, cependant, le vent solaire érode l'atmosphère de la planète. On n'en connaît cependant pas encore les valeurs (pour Vénus, les valeurs sont totalement inconnues; pour Mars, on a des valeurs mais qui doivent cependant être analysées). Pour Mars, les restes du champ magnétique primitif fournissent une protection complémentaire contre le vent solaire (voir ci-dessous). Comme la forme et la densité de l'ionosphère d'une planète sont contrôlés partiellement par le champ magnétique interne de celle-ci et que Vénus ne possède pas un tel champ magnétique (mais au contraire, voit sa ionosphère varier selon les interactions avec le vent solaire), un très faible vent solaire agissant sur une planète sans champ magnétique fait que l'ionosphère augmente du côté nuit. On ne savait pas, d'une façon générale comment la force du vent solaire affectait comment le plasma ionosphérique était transporté du côté jour au côté nuit de Vénus. En général, la matériau s'écoule en suivant un canal fin de l'ionosphère mais on ne savait pas ce qui passait en cas de vent solaire faible: est-ce que le flux des particules de plasma augmentait quand le canal augmentait du fait d'une pression plus faible ou faiblissait-il du fait qu'une force moindre s'exerçait pour pousser le plasma dans le canal?. On sait, en fait, que c'est la première solution qui prévaut et que l'ionosphère s'accroît de façon significative pendant les périodes de faible densité du vent solaire. On pense que cet effet se produit aussi pour Mars (l'autre planète non-magnétisée). Ainsi, même dans des périodes de vent solaire réduit, le Soleil exerce toujours une influence importante sur l'environnement planétaire

Sur les deux planètes, une étude de l'Agence Spatiale Européenne, en 2010, a montré que des faisceaux de particules chargées s'écoulent de l'atmosphère et les particules sont accélérées et expulsées du fait de l'interaction avec le vent solaire. C'est cette interaction qui donne naissance au champ magnétique ionosphérique, lequel entoure la planète et s'étend, sous la forme d'une longue queue du côté dans la nuit. Bien que l'atmosphère de Vénus soit beaucoup plus dense que celle de Mars -qui est essentiellement une atmosphère résiduelle, les structures des deux magnétosphères semblent identiques et, de plus, la densité des deux ionosphères, à 250 km (155 miles) d'altitude est, en fait, semblable. La plus grande force du vent solaire -du fait de la plus grande proximité d'avec le Soleil- à Vénus fait que les particules chargées s'en écoulent sur un mode fluide alors qu'à Mars, elles le font de façon individuelle. Sur Mars, enfin, les poches résiduelles de l'ancienne magnétosphère de type magnéto contribuent aussi à la perte d'atmosphère et, lorsqu'une forte tempête solaire a frappé la planète en décembre 2006, le taux de perte atmosphérique a été multiplié par 10. L'ionosphère de Vénus est une couche de l'atmosphère remplie de particules chargées; elle est, du côté jour de la planète, bombardée par le vent solaire et elle y est compressée en une fine frontière alors, qu'à l'arrière, elle s'étend en forme de queue de comète. Quand le vent solaire heurte l'ionosphère, se crée un "embouteillage" de vent solaire; c'est ce qui crée la mince magnétosphère vénusienne

->Les trous magnétosphériques de Vénus
La mission Pioneer Venus Orbiter, qui entra en orbite autour de Vénus en 1978, constata quelque chose de très étrange, un trou dans l'ionosphère de la planète, où la densité décroissait brusquement. On n'observa plus rien dans les 30 ans qui suivirent jusqu'à ce que la mission Venus Express de l'ESA, en 2014, montrât que ces trous sont communs et plongent beaucoup plus profondément dans l'atmosphère. Un tel phénomène vient de l'interaction de la magnétosphère ionosphérique de Vénus avec le vent solaire. Les trous pourraient être au nombre de 2, de long et larges cylindres de matériau à la densité plus faible qui s'étendent de la surface jusque dans l'espace. Le fait que les particules du vent solaire ne se trouvent pas dans ces trous est probablement dû à l'action d'une structure magnétique. Les lignes du champ magnétique du Soleil se déplacent en direction de Vénus telles des vagues qui approchent d'un phare planté en pleine mer: les points les plus éloignés de la vague se referment autour de la planète et forment deux longues lignes magnétiques droite, qui partent vers l'arrière de Vénus; ce serait ces champs magnétiques qui expulserait le plasma solaire des trous. Comme ceux-ci, cependant, prennent naissance de chaque côté de la planète, comme s'ils prenaient naissance à la surface même; un modèle pour expliquer cela est que les champs magnétiques solaires ne s'arrêtent pas à la frontière de l'ionosphère pour former la queue cométaire mais qu'elles plongent dans l'ionosphère jusqu'à la surface voire dans la planète elle-même. Un autre modèle est que les champs magnétiques enveloppent l'ionosphère puis entrent en collision avec un embouteillage de plasma qui se trouve déjà à l'arrière de Vénus; lorsque les deux ensembles de matériau chargé combattent l'un l'autre pour un emplacement, ils créent la pression magnétique nécessaire pour vider le plasma des trous. Dans les deux cas, ces zones de magnétisme accru s'écouleraient de chaque côté de la queue magnétosphérique, perçant les côtés de l'atmosphère vénusienne et créant les deux trous ionosphériques

Les astéroïdes n'ont aucune magnétosphère d'aucune sorte, ce qui permet au vent solaire d'interagir avec leur surface. On sait aussi que les comètes ont, elles, de petites "magnétosphère atmosphériques" et que les différents types queues des comètes pourraient être associées -partiellement ou complètement- avec ces champs magnétiques; la coma de la comète, en tout cas, y participe certainement (le champ magnétique résulte de l'interaction du vent solaire avec le plasma de la coma, lequel est échauffé par le Soleil). Titan, dans le système saturnien, peut aussi se comporter comme Vénus, Mars ou une comète lorsque son orbite (5% de celle-ci) le mène hors de la magnétosphère de sa planète: sans champ magnétique, il n'en interagit pas moins avec le vent solaire. La planète naine Pluton pourrait elle aussi être concernée. On sait aussi que, pour la Lune, dépourvue d'atmosphère, le vent solaire qui frappe le sol, en ionise certains atomes lesquels créent des zones de ionisation "géologique"; le vent solaire est ainsi perturbé à son passage à la Lune et des tourbillons sont observés de l'autre côté de notre satellite. Lorsque les lignes magnétiques arrivent à un corps céleste, elles peuvent le traverser; ainsi, à la Lune, qui est essentiellement constituée d'un manteau et qui ne possède quasiment pas d'atmosphère, les lignes magnétiques traversent le manteau et viennent heurter ce qu'on pense être un coeur métallique. Un processus identique a lieu à Vénus

Les magnétosphères de type magnéto

Pour ce qui est des champs magnétiques planétaires induits par des phénomènes de type magnéto, la taille des magnétosphères dépend alors de la pression dynamique du vent solaire (qui décroît avec la distance d'avec le Soleil) et de la force du champ magnétique de la planète (qui est lié au diamètre de celle-ci et à sa vitesse de rotation sur elle-même). Du fait que ces paramètres (distance d'avec le Soleil, caractéristiques de la planète) sont moyennes pour la Terre, notre planète possède une magnétosphère caractéristique (plus de détails sur la magnétosphère terrestre). La magnétosphère de la planète Mercure est très efficace à extraire de l'énergie du vent solaire. La magnétosphère de Jupiter est la plus grande du système solaire (cela est dû à la distance de la planète au Soleil et à la force de son champ magnétique -le vent solaire n'imprime pas aussi facilement sa marque). La magnétosphère de Jupiter, en théorie, s'étend jusqu'à au-delà de Saturne! Le plasma de la magnétosphère jupitérienne, par ailleurs, est augmenté des particules qui s'échappent du satellite Io et cela forme un tore important et d'intenses ceintures de radiation. La magnétosphère de Saturne, elle, est la seule du système solaire à ne pas avoir son axe décalé par rapport à l'axe de rotation de la planète. Du gaz, échappé de l'atmosphère de Titan, s'y trouve. La magnétosphère de Saturne est relativement faible car elle ne possède pas de ceintures de radiation -cela est empêché par la présence de l'anneau et par le fait que la gravité des lunes "intérieures" -proches de la planète- produit une région entière libre de toute particule. Pour ce qui est des géantes gazeuses, on pense que leurs magnétosphères doivent avoir quelque inclinaison de sorte à alimenter les courants qui se trouvent dans le métal liquide aux grandes profondeurs de la planète; sans cette inclinaison, les courants finiraient pas faiblir et les champs magnétiques par disparaître. Les magnétosphères d'Uranus et de Neptune sont inclinées de 50° par rapport à l'axe des pôles de la planète et sont, de plus, décalées de 30% par rapport au rayon du coeur. La faiblesse de ces deux magnétosphères pourrait être due au fait qu'elle ne sont pas produites par un coeur métallique mais, au contraire par le jeu des couches internes proches de la surface de la planète. On ne sait rien des conditions magnétosphériques de Pluton, sinon que la rotation de la planète pourrait signifier une absence de champ magnétique. Sur un autre point, ces magnétosphères étrangères, de la même façon que la magnétosphère terrestre, permettent qu'un flot continu de vent solaire les franchisse ainsi, par exemple, par le biais de l'effet Kelvin-Helmholtz

Il est intéressant de remarquer, comme nous l'avons évoqué plus haut, que Mars possède les restes d'un champ magnétique global. Des données prises au niveau de la surface ont donné en 2020 une image plus fine de la magnétisation des zones de petite taille: pour un endroit donné, le champ magnétique provient de sources proches et probablement de roches magnétisées plus anciennes en sous-sol. Comme le coeur de Mars a cessé d'être en fusion dès il y a 4 milliards d'années, la planète en a ainsi perdu sa magnétosphère globale. Le satellite Mars Global Surveyor, cependant, a découvert des boucles, orientées Est-Ouest, de 200 km (120 miles) de large, qui sont des restes de ce champ magnétique et qui s'étendent, en altitude, jusqu'à plus de 400 km (250 miles). Ces lieux protègent ainsi l'ionosphère martienne du vent solaire. Un dimorphisme ionosphérique, de plus, est lié à cette particularité martienne: là où les "poches" de champ magnétique existent -essentiellement dans la croûte des highlands de l'hémisphère sud (sauf au-dessus des régions Hellas et Argyre- l'ionosphère s'étend jusqu'à 400 km (250 miles) voire à quelques centaines de km (de miles) supplémentaires alors qu'en dehors de ces zones -au-dessus de l'hémisphère nord- l'ionosphère ne se trouve qu'en-dessous de 400 km (250 miles) d'altitude. Là oû existent ces champs magnétiques résiduels, l'atmosphère est protégée de l'érosion du vent solaire. Ces boucles fossiles se trouvent associées aux surfaces anciennes ou d'autres régions. Mars, malgré sa faible magnétosphère, possède également une "plasma sheet" qui se compose d'ions lourds, principalement d'oxygène. La queue magnétique de Mars -sa "magnetotail"- est un hybride entre la magnétosphère de Vénus et celle de la Terre: les lignes magnétiques du vent solaire se reconnectent avec les restes de l'ancien champ magnétique global martien puis forment la magnetotail derrière la planète. Cette reconnexion magnétique fait, de plus, que la magnetotail se tord de 45° par rapport à la direction du vent solaire

La présence d'une magnétosphère, d'une façon générale, permet des aurores boréales. Les ondes chorus dans l'atmosphère, qui, pour la Terre, jouent un rôle dans l'apparition des aurores pulsantes, ont également été observées sur d'autres planètes. Les ionosphères planétaires ou le volcanisme de satellites sont également une cause des aurores dans le système solaire. Il y a aurore sur les planètes à fort champ magnétique (Jupiter, Saturne) mais l'aurore peut également exister sur les planètes sans champ magnétique (Vénus, Mars) ur Jupiter, elles sont surtout dues à des particules venant d'Io et, à Saturne, Mimas et Encelade, par leur gravité, produisent des points brillants (persistant dans le premier cas, intermittent dans l'autre). Les aurores boréales des géantes gazeuses, de plus, sont également responsables du fait que la haute atmosphère de ces planètes sont chauffées bien au-delà de ce qu'on pourrait attendre du fait de leur distance au Soleil. Sur Terre, les aurores sont dominées par l'excitation de molécules d'azote et d'oxygène alors que sur Saturne, par exemple, elles le sont par celles de l'hydrogène (ce qui donne des couleurs rouge à la base et violet au sommet). Les couleurs des aurores peut varier fonction de la densité atmosphérique, de l'état atomique d'un élément par rapport à son état moléculaire ou de l'énergie des électrons venant du Soleil. Un type d'aurores est causé par des protons d'hydrogène et non par des électrons, les aurores protoniques, mais elles sont plus rares (quoiqu'elles soient connues). Ces protons proviennent du vent solaire et passent soit à travers une magnétosphère faible soit, comme à Mars, à travers le front de choc de la magnétosphère du fait qu'ils deviennent des protons neutres en capturant des électrons dans l'énorme nuage d'hydrogène qui entoure la planète. Une fois l'atmosphère planétaire atteinte, les protons neutres entrent en collision avec les molécules de gaz et font que les atomes émettent de l'ultraviolet (d'où que ce type d'aurore n'est pas visible à l'oeil nu). Les aurores protoniques de Mars sont beaucoup plus fréquente sur Mars, par exemple, que sur Terre où elles ne se produisent que dans des régions limitées près des pôles du fait que la magnétosphère terrestre dévie plus efficacement le vent solaire. Les aurores protoniques, cependant, pourraient être commune sur Vénus ou sur Titan, le satellite de Saturne (ces deux corps ne possèdent pas de magnétosphère et présentent beaucoup d'hydrogène dans leur haute-atmosphère

Pour ce qui est des satellites du système solaire, la Lune, Ganymède et Callisto (satellites de Jupiter) sont les seuls à posséder un champ magnétique et/ou une magnétosphère. Les champs magnétiques de ces trois corps sont de type magnéto. Le champ magnétique de la Lune est très faible (107 fois plus faible que celui de la Terre) et possède des régions localisées de magnétisme plus intense. La Lune, en fait, manque d'une véritable dynamo. Notre satellite, de façon intéressante produit, à l'opposé d'où frappent les radiations solaires, une "ombre plasmatique". L'ancien champ magnétique global de la lune est expliqué par la chaleur de la cristallisation du noyau lunaire; le champ magnétique s'est interrompu il y a 3 milliards d'années après une existence d'1 milliard d'années. La cristallisation est venue de ce que la Lune a probablement possédé un noyau de fer/nickel avec seulement une petite quantité de soufre et de carbone, donnant ainsi au noyau lunaire un point de fusion élevé et la cristallisation a eu lieu tôt dans l'histoire lunaire. On pense actuellement, fonction des missions Apollo, que le noyau lunaire est composé d'un intérieur solide et d'un noyau externe liquide mais des études de 2017 pensent qu'il serait partiellement solide et partiellement liquide. Pour ce qui est de Ganymède, c'est le seul satellite à avoir jamais été détecté comme possédant une magnétosphère. Ganymède est le plus grand satellite du système solaire (Ganymède est plus grand que Mercure) et du fait des tractions gravitationnelles qu'il a subies sur une orbite primitive il possède un coeur en fusion. La magnétosphère de Callisto, elle, est produite par l'action magnétique de la magnétosphère de Jupiter sur l'océan souterrain du satellite, ce qui engendre un mécanisme de dynamo. A des objets sans atmosphère (satellites, astéroïdes), la lumière solaire (le vent solaireà, d'une façon générale, éjecte de la matière de surface des électrons chargés négativement, ce qui donne aux lieux éclairés une forte charge électrique positive. Les zones dans l'ombre, elles, passent à une forte charge négative lorsque les électrons du vent solaire se précipitent à l'avant des ions plus lourds de sorte à remplir les vides créé par le vent solaire. Pour un astéroïde, le vent solaire, sur son trajet, crée diverses zones d'interaction

. vers un tableau des magnétosphères du système solaire