La magnétosphère

La Terre, comme les autres planètes du système solaire, comme le Soleil -et même comme les galaxies- est entourée d'un vaste champ magnétique, la magnétosphère. La magnétosphère est une vaste zone, en forme de queue de comète qui commence du côté de la Terre exposé à l'influence solaire et qui s'étend de l'autre côté de la Terre. Techniquement, la magnétosphère est l'expression dans l'espace du champ magnétique terrestre. Le champ magnétique terrestre est dû principalement aux mouvements qui se produisent dans le coeur de la Terre; d'autres facteurs influent aussi sur le champ magnétique terrestre: les roches magnétisées de la haute litosphère (soit la croûte et le manteau supérieur) ou le flux des océans. Le magnétisme, d'une manière générale, est lié à la température: lorsque des roches sont échauffées jusqu'à certaines températures, elles perdent leur magnétisme. Le champ magnétique original de la Terre s'est formé il y a quelques 4,2 milliards d'années et était vraisemblablement, alors, basé sur un mécanisme à base d'oxyde de magnésium; celui-ci s'est épuisé il y a 565 millions d'années ce qui a mené à la formation du coeur interne de la Terre et à la création du processus de barattage de métaux en fusion lequel à créé d'énomres courants électriques et donné le champ magnétique actuel. Le champ magnétique de la Terre est un aimant bipôle gigantesque, dont l'axe est légèrement différent de celui de l'axe des pôles (cette différence fait que les pôles magnétiques de la Terre ne sont pas situés aux pôles géographiques). Pour être précis, on doit faire une distinction entre les pôles géomagnétiques qui sont des points antipodaux où l'axe du dipôle coupe la surface de la Terre et les pôles magnétiques, qui ne sont pas antipodaux -la ligne sur laquelle ils se trouvent ne passe pas par le centre de la Terre. C'est le champ magnétique terrestre qui agit sur l'aiguille d'une boussole. Les lignes du champ magnétique terrestre entourent l'espace proche de la Terre. Ce n'est pas avant 1961 que la mission Explorer 10 montra que la magnétosphère n'avait pas la forme ronde, ajustée à la forme de la Terre, qu'on lui prêtait jusqu'alors mais qu'elle avait une structure beaucoup plus complexe. L'énergie magnétique qu'on trouve dans la magnétosphère est, d'une manière ou d'une autre, convertie en énergie cinétique. La compréhension de la magnétosphère est particulièrement important car elle est le lieu où la plupart des satellites -dont ceux de télécommunications- orbitent et ces satellites sont sensibles aux évènements solaires. Entre 2000 et 2015, le champ magnétique terrestre s'est affaibli de 3,5% au-dessus de l'Amérique du Nord et s'est renforcé de 2% en Asie. La "South Atlantic Anomaly", là où le champ magnétique est le plus faible, s'est déplacée vers l'Ouest et a faibli de 2%. On pense que les accélérations de la force du champ magnétique sont en relation aux changements dans la façon dont le fer liquide s'écoule et oscille dans le coeur extérieure de la Terre. La magnétosphère est aussi là où se produit l'interaction entre les tempêtes magnétiques solaires et nous. Les tempêtes solaires de particules énergétiques accélérées par l'activité solaire atteignent la Terre en moins d'1 heure et demie. Des évènements minuscules de ce type existent et se perdent dans l'espace

le champ magnétique terrestre. illustration site 'Amateur Astronomy'

La magnétosphère de la Terre est déterminée, "sculptée", par le vent solaire: du côté faisant face au Soleil, le vent solaire compresse la magnétosphère; du côté opposé, il détermine la forme en forme de queue de comète. Le vent solaire peut être défini comme un plasma de ions qui émane du Soleil et qui emporte avec lui les lignes du champ magnétique solaire. Du côté exposé au Soleil, le vent solaire atteint la magnétosphère au "front de choc" ou "onde de choc". C'est là où le champ magnétique terrestre dévie abruptement les particules solaires et le champ magnétique du Soleil. Cette partie comprimée de la magnétosphère a une dimension d'à peu près 6 à 10 rayons terrestres. De récentes études de l'ESA montrent que le front de choc pourrait n'avoir une &eacut;paisseur que de 17 km (11 miles) au lieu de 100 (62); par ailleurs, des bourrasques de vent solaire peuvent faire reculer le front de choc plus près de la Terre. Cette rencontre entre le vent solaire et le champ magnétique terrestre génère des booms supersoniques! Une étude fondamentale de 2018 a découvert que le front de choc convertit l'énergie du vent solaire en chaleur qui est stockée dans les électrons et les ions; ce qui se produit car les électrons du vent solaire, lorsqu'ils rencontrent le front de choc accélèrent momentanèment à une telle vitesse que le flux devient instable et se fragmente, ce qui prend une partie de la vitesse des électrons et convertit l'énergie en chaleur. Cette étude, d'une façon générale, a réécrit la façon qu'on avait de comprendre l'échauffement des électrons. Le ralentissement du vent solaire se produit sur la magnétopause, la frontière extérieure de la magnétosphère, à 21 800 km (35 000 miles). Le vent solaire est alors détourné. Ces particules nous viennent du Soleil en suivant les lignes du champ magnétique jusqu'à la magnetosheath de la terre. Au moment de l'impact, se créent des "atomes d'hydrogène neutres électriquement" (en anglais "electrically neutral hydrogen atoms" ou ENA) du fait que les protons du Soleil captent l'électron des atomes d'hydrogène de l'exosphère terrestre, cette ultime frontière de notre atmosphère dite aussi, en anglais "geocorona" ("géo-couronne"). L'exosphère, du côté éclairé de la Terre, est si ténue -8 atomes d'hydrogène par cm³ que l'interaction est très forte. Plus on s'éloigne de l'axe de la magnétosphère, le moins on trouve d'atomes d'hydrogène de l'exosphère et l'interaction avec le vent solaire cesse. Devant le front de choc (ou "onde de choc"; en anglais: "bow shock" ou "shock wave") se trouve un système complexe et turbulent dit le "foreschock" ('l"avant-front"). Le champ magnétique de l'onde de choc ralentit les particules; la plupart sont éloignées de la Terre mais quelques-unes sont renvoyées en direction du Solei et elles forment une région d'électrons et d'ions qui constitue l'avant-front. Les particules de celui-ci sont très énergétiques (électrons et ions) qui tirent ces énergies élevées en rebondissant au long de l'onde de choc; de nouvelles observations en 2016 laissent penser que ces particules peuvent aussi obtenir de l'énergie du fait de l'activité électromagnétique de l'avant-front même. Les conditions dans l'avant-front sont modifiées en réponse au flux des particules du vent solaire, ce qui déplace, dans la région, les champs magnétiques ainsi qu'un nombre important d'ondes, certaines rapides, d'autres lentes. Une variété de pulsations magnétiques appelées "structures magnétiques courtes de grande amplitude" ("short large amplitude magnetic structures", SLAMS) possèdent un seul pic important. Ces ondes peuvent être une meilleure explication pour l'accélération d'étroits jets de particules chargées dits "field aligned ion beams" ("faisceaux d'ions aligné sur le champ"), laquelle accélération les renvoie dans l'espace. De petites turbulences dans l'avant-front peuvent avoir des effets profonds en aval de la magnétosphère. Les SLAMS, d'une façon générale, s'efforcent de se mouvoir à l'encontre du vent solaire mais c'est celui-ci qui l'emporte finalement, ce qui crée cette nouvelle frontière à l'avant du front de choc. Cette existence perturbe le flux du vent au long de la magnétosphère, formant une sorte de miroir magnétique qui atténue le flux. Des jets à haute vitesse de plasma, qui se forment dans la magnétosphère, par ailleurs, qui sont des "morceaux" du vent solaire, peuvent pénétrer profondément dans la magnétosphère et causer de forts effets en termes de météo solaire. La montée de plasma des calottes polaires et des régions aurorales semble affecter la réponse de la magnétosphère aux variations du vent solaire

Deux "entonnoirs" (en anglais, "cusps") situés le long de l'axe de la magnétosphère permettent au vent solaire d'atteindre la haute atmosphère terrestre (ces entonnoirs sont là où le flux du vent solaire, à un million de km/h, avec ses particules entre en collision et échange les charges électriques avec les atomes de la partie la plus haute de l'atmosphère terrestre ainsi qu'avec les gaz neutres de l'espace interplanétaire). L'aspect en queue de comète de la magnétosphère s'étend jusqu'à 1000 fois le rayon de la Terre. La "queue magnétique" est en quelque sorte l'ombre de la Terre, là où le vent solaire ne pénètre pas; elle s'étend sur 1 300 000 km. Certaines particules qui réussissent à s'infiltrer de ce côté là de la magnétosphère forme ce que l'on appelle la "feuille de plasma" ("plasmasheet" en anglais). La "feuille neutre" ("neutral sheet") se trouve en son milieu (c'est là où les parties nord et sud du champ magnétique terrestre s'annulent). De chaque côté de la feuille de plasma, on trouve des "lobes" ou "magnetosheath", qui sont, habituellement, des zones froides. La frontière entre la magnétosphère et l'espace interplanétaire s'appelle la "magnétopause". La majeure partie du champ magnétique de la Terre se rattache à celle-ci aux deux pôles magnétiques, cet "aimant" créant la magnétosphère, qui est un champ magnétique fermé qui nous protège contre les particules électriquement chargées du vent solaire. Une faible partie de la magnétosphère, cependant, est un champ magnétique ouvert qui se connecte au champ magnétique du Soleil au lieu de revenir vers la Terre; ce champ ouvert permet l'accés des particules solaires dans l'atmosphère (ce qui donne les aurores boréales). La frontière, par ailleurs, entre ces régions fermées et ouvertes de la magnétosphère est loin d'être stable. Du fait de causes diverses -ansi l'arrivée de nuages de matériau solaire- les lignes du champ magnétique fermé peuvent se réaligner en lignes du champ ouvert et vice-versa, ce qui modifie l'emplacement de la frontière entre le champ fermé et le champ ouvert. Les interactions des tempêtes géomagnétiques avec la magnétosphère de la Terre peuvent créer des zones instables d'électrons en excès dans l'ionosphère, mais elles peuvent aussi appauvrir certains endroits en électrons. Cet appauvrissement peut être dû au fait que les électrons se recombinent avec les ions chargées positivement jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'excès d'électrons, ou il pourrait y avoir aussi redistribution avec des électrons déplacés ou éloignés de la région, non seulement horizontalement, mais aussi verticalement

la magnétosphère terrestre. illustration site 'Amateur Astronomy'

Reliés au bouclier protecteur de la Terre qu'est la magnétosphère se trouvent une partie de l'atmosphère terrestre, d'une part et, d'autre part, les célèbres "ceintures de Van Allen". L'ionosphère, comme on le sait, est une couche de l'atmosphère terrestre qui est emplie de particules chargées électriquement. Une partie des ces particules ionisées passent dans la "plasmasphère". La plasmasphère, région froide de plasma proche de la Terre, est une zone sphérique, laquelle est plus réellement partie prenante de la magnétosphère; elle est constituée de gaz froid et dense. Lors de certains évènements solaires, la plasmasphère peut envoyer une "plume" d'elle-même dans l'espace, ajoutant à la protection magnétique. C'est dans la plasmasphère que l'on trouve les ceintures de Van Allen: les ceintures de Van Allen sont des zones circulaires de particules chargées. La ceinture intérieure est formée de protons à haute éenergie qui résultent du choc des rayons cosmiques sur la haute atmosphère; la ceinture extérieure est formée d'électrons de haute énergie qui sont produits à la fois par les rayons cosmiques et par les phénomènes d'accélération qu'engendre la magnétosphère. Les ceintures de Van Allen ont été découvertes au cours du vol du premier satellite artificiel américain, l'Explorer I et ont reçu leur nom du physicien américain James Van Allen, de l'université de l'Iowa. Une nouvelle ceinture a été découverte en 2013; elle est, elle, de type transitoire et elle agit comme un anneau de stockage. Ainsi, au total, à un moment donné, trois ceintures de Van Allen peuvent exister en même temps et la ceinture transitoire est également séparée par un vide. Le véritable processus est que les deux ceintures que l'on connaît depuis longtemps peuvent se mêler voire se séparer en trois ceintures. La ceinture transitoire est ensuite annihilée par, par exemple, les fronts de choc interplanétaires. La ceinture intérieure, qui s'étend de 1600 à 12800km au-dessus de la surface terrestre, est assez stable. Par contre, la ceinture extérieure (de 19300 à 40200km) peut, elle, au cours d'une tempête solaire, enfler jusqu'à cent fois sa taille habituelle. Compliquant la question, la ceinture extérieure ne répond pas toujours de la même manière aux tempêtes du Soleil: quelquefois elle enfle, quelquefois elle se réduit; ce qui est dû au fait que les électrons de la ceinture soit tombent dans l'atmosphère, soit s'échappent dans l'espace. La perte d'électrons de la ceinture extérieure se produit selon un processus appelé, en anglais "electron microbursts" ("micro-éclats d'électrons"). Depuis la découverte des ceintures en 1958, leur observation et celle de l'espace proche de la Terre ont montré, qu'en réponse aux différents types d'activité du Soleil, les particules énergétiques peuvent apparaître quasi instantanément autour de la Terre ou, dans d'autres cas, en être chassées complètement. De plus, la zone est parcourue d'ondes électro-magnétiques, lesquelles, heurtant les particules, soit les accélèrent soit les font chuter vers l'atmosphère terrestre. Les astronomes ont tôt compris les bases de l'interaction entre les ondes et les particules. Les recherches, plus récemment, sont allées plus loin avec de nombreuses études des interactions variées entre les ceintures de Van Allen, le vent solaire et la magnétosphère. Des types spécifiques d'ondes électro-magnétiques -ondes qui se différencient sur la base de leur fréquence, sur leur interaction ou non avec les ions et les électrons, ou si elles longent ou traversent les champs magnétiques avoisinants- par exemple, ont été liés à différents effets. L'espace n'est ni vide, ni silencieux et, bien que techniquement un vide, il contient cependant des particules énergétiques chargées dont le comportement est déterminé par des champs magnétiques et électriques. Dans les régions entremêlées de champs magnétiques -ainsi dans les alentours de la Terre- les particules sont constamment déplacées par le mouvement de diverses ondes magnétiques qu'on appelle des "ondes plasmatiques", qui génèrent un "bruit" qu'on peut entendre avec des outils appropriés. Les ondes dans l'espace proche de la Terre sont dues à des ondes, lesquelles elles-mêmes sont dues à des champs électriques et magnétiques fluctuants qui fendent des amas d'ions et d'électrons composant le plasma et accélérant certaines de ces particules (cette interaction équilibre les particules à haute énergie entre celles qui sont injectées et celles qui sont perdues par l'espace proche). Ces ondes plasmatiques existent sous quatre formes: les ondes "whistler" (qui sont également dues aux éclairs frappant le sol; une fois traduit, leur son ressemble à des tirs dans des jeux spatiaux), les ondes "chorus" (qui sont des ondes whistler en-dehors de la plasmasphère et proviennent de ce que des électrons sont poussés en direction du côté dans la nuit de la Terre, accélérés et voient leur densité accrue -ce qui, dans certains cas, peut se produire du fait d'une reconnexion magnétique; quand ces électrons à basse énergie frappe le plasma, ils interagissent avec les particules qui s'y trouvent, leur communiquant leur énergie; leur son a un ton unique, qui s'élève) et les ondes "hiss plasmasphériques" (qui sont des ondes whistler qui se déplacent dans la plasmasphère; leur son est celui d'un souffle de note basse). Les ondes chorus et hiss sont des éléments-clés dans la définition de l'environnement proche de la Terre y compris des ceintures de Van Allen. Il y a habituellement, un peu de perte d'électrons par les ceintures de Van Allen en direction de la Terre mais, ocassionnellement, ce sont des bouffées plus importantes qui se produisent. Les ondes "whistler mode chorus", qui sont créées par des champs électriques et magnétiques fluctuants, accélèrent de façon efficace les électrons et jouent donc un rôle important dans le contrôle de la perte d'électrons énergétiques par les ceintures de radiation. Les ondes hiss plasmasphériques existent aussi dans une version à basse fréquence et elles sont particulièement aptes à "nettoyer" les particules à haute énergie des ceintures de Van Allen; elles tendent à se regrouper dans différentes régions (par rapport aux ondes hiss à haute fréquence) et leur son est celui de parasites sur les récepteurs radio; on connaît mal leur origine mais elles pourraient se forme quand des particules électrifiées sont injecté dans la plasmasphère. Les ondes hiss et EMIC (pour "Electromagnetic Ion Cyclotron") ont été observées, au cours d'une tempête solaire, appauvrissant le nombre de particules. La cause principale de l'accélération des particules dans les ceintures de Van Allen a été définitivement établie en 2018 par la mission des Van Allen Probes: il s'agit d'un processus dit "accélération locale" qui est causé par les ondes électromagnétiques appelées "chorus waves"; celles-ci accélèrent les particules. Une source alternative mais moindre d'accélération est ce qu'on appelle sous le nom de "diffusion radiale": il s'agit d'un processus qui a souvent lieu pendant les tempêtes solaires, des flux géants de particules, d'énergie et de champs magnétiques poussant lentement et de façon répétée des particules en direction de la Terre où elle acquièrent de l'énergie du fait qu'elles y rencontrent des champs magnétiques

vue des zones occupées par les différentes ondes de la magnétosphère (en anglais; dans le sens des aiguilles d'une montre à partir de la gauche: ondes EMIC améliorées, bruit magnétosonique équatorial, ondes chorus, ondes ultra-basse fréquences; le reste se comprend). illustration site 'Amateur Astronomy'

Les particules des ceintures de Van Allen peuvent perdre de leur nombre d'1 millier de fois en quelques heures seulement, évènements appelés "drop-outs" en anglais. Ces évènements sont à relier à d'intenses évènements solaires qui perturbent l'environnement terrestres; les ceintures perdent alors des électrons à haute énergie (ou "ultra-relativistes" du fait de leur vitesse proche de celle de la lumière); pendant un drop-out, une classe d'ondes électromagnétiques puissantes dans les ceintures de Van Allen peut disperser ces électrons, lesquels suivent ces ondes vers les bas et chutent sur l'atmosphère. Par ailleurs, des instabilités observées à l'onde de choc font naître des perturbations des particules du vent solaire et ces perturbations peuvent être reliées avec un autre type d'ondes magnétisées, qui se trouvent plus près de la Terre -les "ULF (Ultra Low Frequency) waves" ("ondes à ultra basse fréquence))- qui ont lieu dans la magnétosphère. Les ondes ULF, à leur tour, jouent un rôle important dans les changements au sein des ceintures de Van Allen. Une frontière extrêmement nette se trouve sur le bord intérieur de la ceinture externe de Van Allen, à 11500km (7200 miles) d'altitude; elle bloque des électrons dits, en anglais, "killing electrons" ("électrons-tueurs"), qui se déplacent à la vitesse de la lumière; la barrière les empêche de descendre vers la Terre (on pensait auparavant que ces électrons dérivaient dans la haute atmosphère et y étaient détruits par les molécules d'air); par contre, on ne sait pas pourquoi cette frontière abrupte existe mais elle pourrait résulter de "hiss" plasmasphériques. Les particules qui se trouvent à la frontière extérieure de la plasmasphère font que les particules de la ceintre de Van Allen extérieure sont dispersées et sont enlevées de celle-ci. Mais les électrons, cependant, malgré la rapidité de leur mouvement, ne se dirigent pas vers la Terre mais se répartissent dans les boucles géantes des ceintures de Van Allen. Les électrons les plus énergétiques dérivent lentement pendant des mois et sont peut-être contrariés par l'action dispersive de la plasmasphère. Quand de forts évènements solaires ont lieu, le matériau solaire supplémentaire fait que les électrons de la ceinture extérieure sont repoussés dans l'espace quasi-vide qui se trouve entre les deux ceintures alors que la ceinture extérieure est poussée vers l'intérieur ainsi que, généralement, les électrons des deux ceintures. La magnétosphère, elle, reçoit une énergie importante du vent solaire y compris via des rotations apparemment inoffensives du champ magnétique. Ce sont toutes ces ondes diverses sont ce qui peut donner de l'énergie aux particules qui entourent la Terre. Au niveau de la magnétopause, on a vu combien de petites perturbations du vent solaire peuvent avoir des effets d'importance à proximité de la Terre. Les interactions ondes-particules dans le vent solaire, qui ont lieu dans la zone turbulente en avant du front de choc, jouent le rôle d'une valve d'entrée et affectent spectaculairement l'orientation et la force du front juste devant la Terre, une région qui dépend, de façon capitale, de l'orientation du champ magnétique. Les variations extrêmes du front de choc provoquent des ondulations dans toute la magnétopause, ce qui déclenche des perturbations de pression, lesquelles peuvent, à leur tour, énergiser les particules des ceintures de Van Allen. Une forte corrélation inverse existe entre les "chorus waves" et l'activité géo-magnétique au cours des tempêtes magnétiques, ce qui enclenche certainement une forte accélération particulaire, alors qu'il y a corrélation entre les chorus waves et les électrons de basse énergie qui tombent des ceintures de Van Allen. Les chorus waves, d'une façon générale, ont un rôle crucial car elles fournissent leur énergie aux électrons de celles-ci. Les ceintures sont un milieu très dynamique et changeant toujours sous l'influence du Soleil. Les champs et les ondes d'électricité et de magnétisme guident les particules chargées à l'intérieur des ceintures de Van Allen; les particules voguent sur les ondes, perdant ou gagnant de grandes quantités d'énergie lorsqu'elles entrent dans cette région ou la quittent. D'intenses champs électriques et ondes à basse fréquence qui se trouvent à la frontière des ceintures peuvent durer -parfois plus de 5 heures- au cours des tempêtes magnétiques. La ceinture de Van Allen interne, où de nombreux satellites passent une partie de leur orbite, abrite les particules les plus dangereuses et les plus énergétiques, essentiellement des protons. Ces particules énergisées varient selon l'altitude. Une structure zébrée persistente, qui se trouve dans la ceinture interne est due à des électrons de haute énergie en relation avec la rotation de la Terre (dont on pensait qu'elle était incapable d'affecter le mouvement des particules dans les ceintures de Van Allen); du fait de l'inclinaison de l'axe du champ magnétique terrestre, la rotation crée un faible -mais oscillant- courant électrique, lequel envahit tout la ceinture intérieure, créant cette structure zébrée, faite d'électrons de différentes énergies. Une autre ceinture pourrait exister alors qu'existent aussi que ce qu'on appelle, en anglais, "microbursts" ("micro-sursauts"), une phase intense mais de courte durée pendant laquelle des électrons sortent des ceintures de radiation. Les ceintures de Van Allen sont des structures très dynamiques au sein de la magnétosphère. Les évènements solaires propulsent des électrons des régions extérieures de la magnétosphère profondément dansla ceinture et, dans le processus, les électrons acquièrent de l'énergie. Les électrons des ceintures de Van Allen peuvent être énergisés ou accélérés de plusieurs façons: radialement, localement ou via une onde de choc; soit, respectivement, les électrons sont portés par des ondes à basse fréquence en direction de la Terre, soit ils acquièrent de l'énergie d'ondes de relativement plus haute fréquence (les électrons orbitant autour de la Terre), soit, enfin, une forte onde de choc interplanétaire compresse brusquement la magnétosphère ce qui crée de grands champs électriques, lesquels énergisent rapidement les électrons. En mars 1991, des électrons énergisés, de longue durée, se sont maintenus dans les ceintures de Van Allen pendant plusieurs années après un évènement énergétique solaire. Les "Terrestrial Gamma-ray Flashes" ou TGF ("flashs gamma-ray terrestres") sont un phénomène peu connu qui a été découvert par le satellite Compton Gamma-Ray de la NASA au début des années 1990. Ces flashs se produisent dans l'atmosphère terrestre. Sans que l'on sache pourquoi, ces flashs de rayons-gamma, que l'on pensait ne pouvoir se produire que près des trous noirs ou d'autres lieux cosmiques de hautes énergies, semblent aussi liés aux éclairs terrestres. On ne sait pas encore si ce sont les éclairs qui déclenchent les TGF ou l'inverse. Les TGF sont communs et lumineux et ils se produisent haut dans l'atmosphère; 1100 TGF ont lieu chaque jour et ils ne durent que quelques millèmes de seconde. Leurs rayons gamma, cependant, se rangent parmi les phénomènes lumineux les plus énergétiques qui se produisent naturellement sur notre planète. Les TGF génèrent aussi une forte explosion d'ondes radio à très basse fréquence. Des ondes radio beaucoup plus faibles se produisent jusqu'à plusieurs milliers par second avant ou après un TGF mais on pense qu'il s'agit d'éclairs intra-nuageux qui sont liés à l'émission rayons gamma mais pas générés par elle. On pense que les TGF proviennent des forts courants électriques qui se trouvent près du sommet des cumulo-nimbus. Dans certaines conditions, le champ devient suffisamment fort pour déclencher un fort mouvement ascendant d'électrons; celui-ci, dévié par les molécules d'air, produit les rayons gamma. On se demande si les TGF sont ou pas responsables des particules à haute énergie des ceintures de Van Allen, lesquelles endommagent les satellites. L'intensité d'une orage ou d'une tempête tropicale, par exemple, n'est pas le facteur essentiels des TGF. La ceinture de Van Allen intérieure est essentiellement stable mais la ceinture extérieure peut augmenter jusqu'à 100 fois ou plus de taille. Le plasma des deux ceintures circule le long de lignes de champ magnétique et crée un champ nouveau, du fait de ce mouvement. Certaines tempêtes solaires amènent même les deux ceintures de Van Allen à croître toutes les deux au point qu'elles fusionnent temporairement. Les deux ceintures, inversement, peuvent se réduire en taille. Pour ce qui est de comment les particules des ceintures obtiennent cette énergie, deux théories s'affrontent: celle du transport radial (les particules se déplacent perpendiculairement aux champs magnétiques des ceintures, se déplaçant de zones éloignées de la Terre, de faible magnétisme à des zones de fort magnétisme situées plus près de la Terre; et l'énergie des particules est corrélée à la force du champ magnétique, donc s'accroissant en se rapprochant de la Terre; celle dit "in situ" (les ondes électro-magnétiques frappent les particules et augmentent leur vitesse et leur énergie). Pour ce qui est de comment les particules quittent les ceintures, soit elles s'échappent vers le bas (elles suivent vers le bas les lignes du champ magnétique en direction de la Terre, dans l'ionosphère, et elles y restent, partie du système magnétique de la Terre avec, donc, le potentiel de revenir dans les ceintures), ou vers le haut (elles quittent définitivement la magnétosphère pour l'espace interplanétaire). Il existe un anneau électrique important et persistent autour de la Terre y compris pendant les périodes ou il n'y a pas de tempêtes solaires. L'anneau est porté par les protons de haute énergie qui entourent la Terre. Pendant les tempêtes géomagnétiques, l'augmentation de l'anneau est dû à des nouveaux protons, de basse énergie, qui entrent dans la région proche de la Terre. L'anneau se trouve à une distance d'environ 10000 à 60000km (6200 to 37000 miles) de la Terre et fut conçu théoriquement au début du XXème siècle pour expliquer l'observation qu'on faisait d'une baisse globale du champ magnétique de surface de la Terre. De tels changement du champ magnétique se décrivent par ce qu'on appelle l' "index Sym-H". Cette valeur, cependant, a été récemment comprise comme ne représentant que la dynamique des protons de basse énergie alors que les protons de haute énergie participent d'une autre logique. Le courant électrique, d'une façon générale, modifie le champ magnétique dans l'espace proche de la Terre, lequel, à son tour, contrôle le déplacement des particules de la ceinture de radiation qui entoure la Terre

Comme, à la différence de la Terre, la Lune ne possède pas de champ magnétique global, on pensait que le vent solaire frappait la surface lunaire sans aucune incidence général sur son mouvement. On a cependant observé des signes de perturbation sous la forme de faisceaux d'électrons et de "fontaines de particules ionisées" dont on observe les conséquences jusqu'ès des altitudes de 10000km (6214 miles) au-dessus de la face éclairée de la Lune. Cela génère une sorte de turbulence dans le vent solaire en avant de la Lune, ce qui entraîne de subtils changements de direction et de densité du vent solaire. Le plasma solaire, ainsi, résonne et oscille quelque peu et constitue un "avant-front" devant la Lune de la même manière qu'il en forme un aussi en avant du front de choc de la magnétosphère. Ces phénomènes sur la surface de la Lune proviennent de l'action de la lumière du Soleil et du vent solaire: un tel champ électrique peut générer les faisceaux d'électrons en accélérant ceux qui sont éjectés de la surface par la lumière ultraviolette. Et lorsque des particules ionisées du vent solaire entrent en collision avec les poches fossiles de l'ancien champ magnétique de la Lune, elles sont renvoyées en direction de l'espace sous une forme diffuse de fontaine. Les autres satellites du système solaire, ainsi que les astéroïdes pourraient également posséder une telle zone de turbulence au-dessus de leur face éclairée

->Une vue plus dynamique des ceintures de Van Allen
Depuis les années 1950, à l'époque où l'on commença à se faire une idée des ceintures de Van Allen, ces anneaux de particules énergétiques, notre connaissance de leur forme était largement restée inchangée: une ceinture intérieure, de petite taille et stable, une zone quasi vide dite, en anglais, "slot region" et la ceinture extérieure, dominée par des électrons et la plus grande et la plus dynamique des deux. Des études récentes, dans les années 2010, ont montré que la forme des ceintures est en fait tout à fait différente fonction du type d'électrons que l'on prend en considération: les électrons de différents niveaux d'énergie se distribuent différemment dans les régions. Ainsi, plutôt que l'image classique des ceintures de Van Allen -les trois régions décrites précédemment- on a compris que leur forme peut varier: soit une ceinture unique, continue sans slot region, soit une ceinture intérieure de grande taille et une ceinture extérieure de petite taille voire pas de ceinture intérieure du tout. Beaucoup de ces différences peuvent s'expliquer en considérant séparément les électrons possédant différents niveaux d'énergie. On a découvert que la ceinture intérieure -donc la plus petite dans la représentation classique- est beaucoup plus grande que la ceinture extérieure quand on observe les électrons à basse énergie et que c'est l'inverse quand on observe les électrons à haute énergie. Aux énergies les plus grandes possibles, la ceinture intérieure n'existe tout simplement plus. Aussi, fonction de ce qu'on observe, les ceintures ont, simultanément, des structures très différentes. Ces structures, de plus, sont modifiées par les tempêtes géomagnétiques: celles-ci peut accroître ou décroître le nombre d'électrons énergétiques, temporairement, dans les ceintures et celles-ci retournent à leur état antérieur au bout d'un moment. Si l'on prend en compte une zone large d'énergie, on finit par constater quelques cohérences dans la dynamique d'une tempête géomagnétique car la réponse des électrons diffère, dans le détail, certes, aux différents niveaux d'énergie mais un comportement commun existe cependant: par exemple, on a vu que les électrons disparaissent rapidement des "slots regions" après une tempête mais que l'emplacement de la slot region dépend de l'énergie des électrons. Souvent, la ceinture extérieure s'étend vers l'intérieur, en direction de la ceinture intérieure pendant les tempêtres, remplissant complètement la slot region d'électrons à basse énergie et donnant ainsi une énorme ceinture de radiations. A des énergies plus basses, la slot region se forme plus loin de la Terre, donnant une ceinture intérieure plus grande que la ceinture extérieure. A des hautes énergies, la slot region se forme plus près de la Terre, inversant ce rapport. On avait du mal, auparavant, à mesurer le flux des électrons aux basses énergies du fait que les ceintures, près de la Terre, contenaient des protons ce qui produisait un bruit de fond
Des études plus avant, en 2017, ont montré que les tempêtes géomagnétiques solaires font vibrer la ceinture externe de façon spectaculaire, la faisant croître ou se réduire en taille en réponse à la pression des particules et du champ magnétique solaires. La ceinture interne, elle, dans le même temps, maintient une position stable au-dessus de la surface terrestre et se compose de protons de haute énergie et d'électrons de basse énergie. Cependant, des tempêtes solaires fortes peut amener des électrons relativistes loin dans la ceinture interne; alors que les électrons dans la région SLOT se désintègrent rapidement, ceux de la zone interne peuvent subsister pendant de nombreux mois. Compte tenu de la rareté de telles tempêtes, d'autre part, on comprend maintenant que la ceinture interne comprend généralement des niveaux de radiation plus faibles qu'on ne pensait. Un des processus qui permet aux électrons énergétiques d'échapper aux ceintures de Van Allen et de passer dans l'atmosphère de la Terre sont les orages magnétiques solaires qui se forment dans l'espace proche: elles créent des ondes qui "secouent" les lignes du champ magnétique terrestre et éjectent des des électrons (ce qui produit les aurores rouges)

cliquez vers une vue renouvelée, plus dynamique, des ceintures de Van Allen

->Des évènements puissants ont lieu dans les ceintures de Van Allen
Un saut d'activité fortuit des ceintures de Van Allen alors que les satellites solaires s'y trouvaient, a permis de découvrir que les ondes radio -que l'on appelle des "whistlers" ("siffleurs", littéralement, en anglais)- et qui y accélèrent les électrons jusqu'à 99% de la vitesse de la lumière le font en juste une fraction de seconde au lieu des minutes ou des dizaines d'heures que l'on pensait que le phénomène prenait jusque là. Les whistlers participent aussi à l'instabilité de la ceinture extérieure où certaines des particules peuvent atteindre une vitesse proche de celle de la lumière. Il semble que cela se déroule en deux temps: un mécanisme dit "structures domaniales temporelles" (en anglais: "time domain structures"), des pulsations très courtes de champ électrique qui courent parallèlement le long des champs magnétiques de la ceinture, donnent une accélération initiale aux particules puis les whistlers donnent une dernière accélération. Les électrons des ceintures de Van Allen subissent aussi une accélération de vagues de plasma à basse fréquence et des structures en rayures, persistentes, existent dans la ceinture intérieure et sont dues à la rotation de la Terre

->L'effet rebond dans la queue de la magnétosphère terrestre
L'effet retour dans la queue de la magnétosphère des électrons solaires -effet dû à un processus de reconnection- renvoie des bulles d'électrons énergétiques, émettant dans les ondes radio, vers la Terre. Ils activent des électrons de la ceinture extérieure de van Allen, les transformant en "killer electrons" -"électrons-tueurs"- qui peuvent menacer les circuits électroniques des satellites en orbite moyenne ou géo-synchrone (tel le système GPS). Ces bulles, dites "chorus waves" -qui sont potentiellement audibles par l'oreille humaine- se dissipent -en se transformant en "hiss waves"- du fait que leurs électrons "rebondissent", dans les couches inférieures des radiations de Van Allen, entre les pôles magnétiques de la Terre. Les noms anglais du phénomène sont liés aux bruits que font les ondes radios transcrites en ondes audibles. Les "hiss waves", par ailleurs, semblent pouvoir dissiper les killer electrons des ceintures de Van Allen jusque et y compris dans les couches de la haute atmosphère terrestre. Les hiss waves dissipatrices pourraient aussi être dues à d'autres mécanismes, tels, par exemple, les éclairs ou le mouvement même des particules des ceintures de Van Allen. La question reste actuellement, pour ce qui est de la sécurité des satellites, de savoir comment ces différents processus interviennent réellement

Les régions les plus proches de la magnétosphère sont très dynamiques quoique mal comprises; elles conduisent l'énergie du vent solaire dans la magnétosphère. Le champ magnétique terrestre s'affaiblit, de manière cyclique, au moment des équinoxes. Un accroissement de forts vents solaires peut faire "osciller" (en anglais, "to wobble") la magnétosphère. D'une façon générale, les particules à basse énergie qu'on rencontre dans la magnétosphère terrestre proviennent du vent solaire et les particules à haute énergie, elles, viennent des tempêtes solaires ainsi les éjections coronales de masse ou les flares. Les "flux ropes", en anglais ("cordes de flux") sont des "brins" de "liasses" de champ magnétique qui émanent du Soleil puis interagissent avec la magnétosphère terrestre; ils semblent plus fréquents pendant les minimums solaires. Le flux d'ions d'oxygène venant de la haute atmosphère terrestre et entrant dans la magnétosphère est un phénomène physique qui influence cette dernière. Les processus, de plus, qui échauffent et énergisent les ions d'oxygène dans l'atmosphère sont universels par nature. Les ions d'oxygène viennent et repartent par éclatement épisodiques. Lorsqu'ils sont présents -ce qui n'a pas lieu tout le temps- ils ont des effets très importants sur l'espace proche de la Terre. Entre autres, ils peuvent affecter le taux auquel l'énergie du vent solaire est transférée à la magnétosphère et le taux et la façon détaillée de comment cette énergie stockée est relâchée pour produire les aurores. La magnétosphere, une fois sa structure définie, est également un milieu dynamique qui est lieu au vent solaire, particulièrement aux éruptions solaires. De tels évènements peuvent amener à ce que la partie extérieure de la magnétosphère, du côté où s'étend la queue magnétique, peut se voir "trouée" et le vent solaire et les lignes magnétiques du Soleil y entrer et y casser les lignes du champ magnétique terrestre. S'ensuivent des lignes magnétiques mélangées -solaire/terrestre- qui s'écoulent dans la queue de la magnétosphère, et qui y compressent la feuille de plasma de part et d'autre. Les lignes du champ magnétique terrestre finissent par se "reconnecter", c'est-à-dire, en termes scientifiques, subissent un phénomène de "reconnexion": elles reviennent brutalement au champ magnétique terrestre! Deux modèles théoriques existent pour expliquer la reconnexion magnétique: l'un pense qu'une reconnexion varie dans le temps, semblable à un robinet qu'on ouvre ou ferme et la reconnexion émet des particules en courts jets, l'autre que les satellites utilisés pour l'étude des reconnexion traversent différents de ces évènements. Des mouvements complexes d'électrons se produisent dans les couches fines de courant électriques où a lieu la reconnexion, leur permettant d'obtenir plus d'énergie et d'accélérer le processus de reconnexion. Une partie du processus de reconnexion vient de ce que certains électrons, n'ayant pas de "champ-guide" (en anglais "guide field") pour les confiner, oscillent. Les reconnexions -qui constituent des explosions magnétiques géantes- peuvent accélérer les particules à presque la vitesse de la lumière et elles créent des oscillations dans les champs magnétiques de la Terre. Pendant un évènement de reconnection, les électrons sont éjectés en droite ligne depuis l'évènement et ils traversent les frontières magnétiques. Une fois passées ces frontières, les particules s'incurvent vers leur origine en réponse aux nouveaux champs magnétiques qu'ils rencontrent et font un demi-tour. L'aspect persistent en forme de croissant des distributions des élections suggèrent que c'est la physique des électons qui est au coeur de comprendre comment les lignes du champ magnétique accélèrent les particules. Quand une reconnexion a lieu sur le côté jour de la Terre, les lignes du champ magnétique solaire se connectent directement au champ de la Terre. Une fois le processus parvenu, depuis l'intérieur de la magnétosphère, à la frontière entre le champ magnétique terrestre et le vent solaire, d'autres reconnexions ont lieu, qui permettent aux particules chargées de s'échapper et de floter au long du champ magnétique interplanétaire; à la différence de ce qu'on pourrait attendre de particules se déplaçant en spirale le long des lignes magnétiques -qui dissipent tout champ magnétique le long de leur trajet- les particules impliquées par une reconnexion laissent ces champs subsister temporairement -lesquels jouent vraisemblablement un rôle dans la reconnexion. Une reconnexion peut aussi se produire -mais à des échelles beaucoup plus petites- dans le plasma turbulent de la magnetosheath (où le vent solaire est extrêmement turbulent). Des événements de reconnexion se produisent également dans des régions turbulentes devant la Terre qui étaient considérées trop tumultueuses pour la reconnexion magnétique, ou dans des "cordes magnétiques de flux" (en anglais "magnetic flux ropes") qui peuvent se former à la suite d'événements de reconnexion magnétiques antérieurs, ainsi que dans les vortices de Kelvin-Helmholtz, un phénomène similaire à celui du vent qui produit des vagues sur l'eau. La reconnexion magnétique se produit quand les champs magnétiques se connectent, se déconnectent et se reconfigurent de façon explosive, émettant de l'énergie qui peut atteindre des milliards de mégatonnes équivalent TNT; l'étude de la reconnexion, d'une façon générale, permet aux pays qui ne disposent pas d'accélérateurs de particules d'étudier la physique atomique. Une reconnexion magnétique est symétrique du côté dans la nuit de la Terre et assymétrique dans le côté au jour. Dans le processus, d'une manière générale, les lignes magnétiques portent avec elles des particules du vent solaire, lesquelles, par le biais des "entonnoirs" polaires, atteignent la haute atmosphère et elles donnent naissance aux aurores, par le biais d'un "ovale auroral". Les lignes du champ magnétique qui pointent dans des directions opposées se rompent spontanément et se reconnectent avec les lignes voisines. Pendant les aurores, le vent solaire déplace la frontière de la magnétopause de sa position normale, à 64300 km de la Terre, de 42000km. Les sursauts soudains, puissants, de luminosité des aurores et l'accroissement de leur dynamisme s'appellent des "sous-tempêtes" ("substorms" en anglais). Le mécanisme des substorms est encore mal compris. Ce qui est sûr, c'est que les "sous-tempêtes" ont leur origine dans la queue de la magnétosphère lorsqu'un accroissement de l'activité solaire et des particules solaires fait que celles-ci pénètrent en retour dans les régions nord de la Terre. Les substorms sont considérées comme des perturbations des conditions magnétosphériques; elles se produisent par intermittence, en général plusieurs fois par jour et elles durent de 1 à 3 heures. Les substorms sont accompagnées de tout un ensemble de phénomènes magnétiques, ainsi les aurores boréales ou les évènements-particules énergétiques qui affectent les communications ou les satellites. Les évènements énergétiques solaire, d'une façon générale, créent des courants électriques sur le sol même, qu'on appelle des "courants géo-magnétiquement induits" (en anglais, "geomagnetically induced currents" ou GIC). Sur un autre plan, la magnétosphère expulse dans l'espace, du côté de sa queue une bulle de plasma solaire. L'influence solaire, cependant -et les aurores- peuvent avoir leur origine directe du côté de la magnétosphère qui fait face au Soleil: les lignes des champs magnétiques terrestre et solaire se connectent et elles génèrent des "cracks" (des "fissures"), des "trous" dans la magnétosphère. Le vent solaire y entre et, en suivant les lignes magnétiques, il atteint les entonnoirs polaires et y produit des aurores. Des études récentes montrent que de telles fissures peuvent durer jusqu'à 9 heures. Des points dits "points X" ou "régions de diffusion d'électrons" (en anglais "electron diffusion regions"), aussi, sont des lieux où la magnétosphère se connecte au champ magnétique de la Terre, ce qui crée un cheminement ininterrompu entre les deux. De tels portails se forment via la reconnexion et des lignes magnétiques des deux systèmes s'entrecroisent et se connectent entre elles. La jonction soudaine des champs magnétiques peut propulser des jets de particules chargées à partir d'un point X, créant la région de diffusion. Ces portails magnétiques s'ouvrent et se ferment des dizaines de fois par jour et ils se trouvent aux alentours qe quelques dizaines de milliers de kilomètres de la Terre. La plupart sont de petite taille et de courte durée alors que d'autres sont vastes et soutenus. Des tonnes de particules énergétiques peuvent s'écouler par les ouvertures et venir échauffer la haute atmosphère, y déclenchant une tempête géo-magnétique, avec aurores boréales brillantes. Les portails magnétiques sont invisibles, instable et furtifs. Ils s'ouvrent et se ferment sans avertissement. Les portails magnétiques créent une liaison ininterrompue entre la Terre et la couronne solaire. Techniquement, l'évènement qui cause une aurore s'appellent une "sous-tempête magnétosphérique" (en anglais "magnetospheric substorm"); dans ce cadre, une reconnexion magnétique survient, qui fait que de l'énergie est rapidement relâchée le long des lignes du champ magnétique et finit par déclencher une aurore au pôle. Ces électrons acquièrent leur énergie, loin du point d'origine de la tempête, via des champs magnétiques changeant. Ce processus, dit "accélération betatron" modifie le parcours de l'énergie sur une grande distance. Les sous-tempêtes ont leur origine du côté de la Terre sous le vent solaire, aux alentours d'un tiers la distance à la Lune, un point où l'énergie et les particules du vent solaire s'accumulent avec le temps. A ce point aussi, les lignes du champ magnétique terrestre s'allongent et peuvent finir par entrer en reconnexion (les lignes du champ magnétique, près de la Terre, au contraire sont plus stables et forment deux zones sphériques nettes en dipôle qui s'abaissent jusqu'aux pôles). Pendant une reconnexion, qui a lieu essentiellement vers de 128000 à 193000km, l'énergie accumulée est relâchée brutalement et des particules ainsi que des "plasmoïdes" (des morceaux de la queue de la magnétosphè,;re) partent dans toutes les directions à des vitesses de 3,2 millions de km/h, particulièrement le long de la queue magnétique, dans une direction opposée à celle de la Terre. De plus, l'interaction électrodynamique entre la magnétosphère et l'ionosphère produit une assymétrie (qui favorise le secteur d'avant minuit de la magnétosphère -ce qui est cohérent par rapport à les distributions de la reconnexion sur le côté nuit, les flux de la feuille de plasma et la convection ionosphérique). La principale cause en est la régulation de la distribution des courants électriques qui circulent au sein de, et entre l'ionosphère et la queue magnétique. La reconnexion des lignes du champ magnétique convertit l'énergie magnétique latente en l'énergie thermique et cinétique des flux de plasma; l'ionosphère joue un rôle actif, couplée à la magnétosphère, pour déterminer le comportement de la queue magnétique. L'effet betatron peut amener les électrons à accélérer sur des trajets en spirale du fait du changement des champs magnétiques. Ainsi, en effet, les électrons qui reprennent le chemin de la Terre à partir d'une sous-tempête, traversent tout un ensemble de champs magnétiques changeant pour finir par atteindre la structure dipôle qui se trouve près de la Terre. Ce processus s'appelle une "dipolarisation". Les "fronts de di-polarisation", qui sont des explosions de matériau et d'énergie qui font s'effondrer le champ magnétique terrestre au début d'une substorm sont des bulles de plasma magnétisé, dont la température est aux alentours de millions de degrés et la vitesse d'1,6 millions de km/h qui se dirigent vers la Terre et y injectent des électrons hyper-rapides. L'accélération betatron fait donc que les particules acquièrent de l'énergie et accélèrent à une grande distance de l'endroit de la reconnexion -laquelle leur fournit, à l'origine, une faible quantité d'énergie. Le phénomène de l'accélération betatronique avait été décrit depuis le début des années 1980. Une activité solaire majeure, à l'automne 2003, par ailleurs, a montré comment de forts courants solaires peuvent avoir de l'influence sur notre magnétosphère: la plasmasphère de la Terre, en effet, a alors été littéralement "soufflée", par les pôles magnétiques, jusqu'à la magnétopause. Une nouvelle ceinture de radiations s'est même formée à la place de la magnétosphère, durant plus de 5 semaines et ensuite absorbée par l'atmosphère terrestre ou évacuée naturellement. La "feuille de plasma" de la magnétosphère s'étend sur des millions de kilomètres et elle est contenue par le champ magnétique, qui la relie aussi aux régions polaires de la Terre. Aussi, par exemple, l'observation des aurores polaires peut révéler les évènements qui ont lieu dans la feuille de plasma. Ainsi on a observé, depuis l'espace, de vastes zones aurorales entrer en collision et produire des explosions de lumière spectaculaires. Ces phénomènes ne sont pas observables depuis la Terre, du fait que, d'un point donné de la Terre, on ne peut embrasser un tel champ de vision. Ils commencent par une large zone d'aurores en déplacement lent alors qu'existe aussi une plus petite zone d'aurores en déplacement rapide -ces deux zones étant éloignées l'une de l'autre. La zone de grande étendue voit soudain arriver la zone plus petite, en provenance du Nord et a lieu la collision des aurores! La zone en déplacement rapide semble associée à un courant de plasma relativement léger, qui provient de loin dans la feuille de plasma et se dirige rapidement en direction de la Terre. La zone de faible étendue est synchronisée avec ce mouvement. La zone de grande étendue est connectée à la frontière intérieure, stationnaire, de la feuille de plasma et alimenté par les instabilités du plasma qui s'y trouvent. Lorsque le courant de plasma léger l'atteint, il y a éruption d'ondes plasmatiques et d'instabilités et, ainsi, cette collision de plasma trouve sa traduction par la collision des aurores. La haute atmosphère de la Terre, d'une façon générale, envoie, vers l'extérieur, au long des lignes du champ magnétique, des ions d'oxygène plus froids. Ce flux de ions ("ion outflow", en anglais) se produit de façon continue mais il est particulièrement fort au cours des périodes de forte activité solaire. Ce flux fait échapper ces ions à la haute atmosphère, particulièrement dans les régions à forte activité aurorale. Il peut agir comme un frein, un atténuateur de l'énergie venant du Soleil. Les ions acquièrent une vitesse suffisante dans l'ionosphère. Les atomes énergétiquement neutres ("energetic neutral atoms" ou "ENA") sont des particules à déplacement rapide produites pendant des collisions entre particules chargées et particules neutres. Surtout, elles se déplacent en ligne droit depuis leur point d'origine sans être affectées par les champs magnétiques qui, ordinairement, agissent sur les particules chargées. L'étude de ces particules permet aussi de voir comment la magnétosphère réagit aux évènements solaires énergétiques: la magnétosphère, par exemple, peut se compresser immédiatement sous l'impact des particules chargées du vent solaire et, quelques minutes plus tard le courant en anneau autour de la Terre -un anneau de particules chargées- commence de piéger les particules chargées. 15 minutes après l'impact, ces particules chargées descendent en spirale et gagnent l'atmosphère au long des lignes du champ magnétique, un processus dit "précipitation". Alors que la précipitation est vraisemblablement due à des substorms -qui relâchent de l'énergie depuis la magnétotail- le courant en anneau l'est directement par la tempête solaire. Le courant en anneau de la Terre (en anglais "ring current") est un courant électrique situé dans le plan équatorial de la Terre, qui se déplace dans le sens des aiguilles d'une montre autour de celle-ci et qui produit un champ magnétique opposé à celui de la Terre (ce qui cause une baisse de force de celui-ci). Le courant en anneau est essentiellement le fait d'ions (la plupart des protons); on y trouve aussi un certain pourcentage d'ions d'oxygène (semblables à ceux de l'ionosphère mais beaucoup plus énergétique). Ces particules chargées sont piégées dans la magnétosphère. Le courant en anneau protège les basses latitudes des champs électriques de la magnétosphère. Aussi, a-t'il un effet important sur la dynamique électrique des tempêtes géo-magnétiques; pendant ces tempêtes, le nombre des particules du courant en anneau s'accroît et il y a baisse des effets du champ géo-magnétique. D'énormes tourbillons de plasma dans la magnétopause, de 40000km (25000 miles) de diamètre permettent aussi l'entrée du vent solaire y compris quand la magnétosphère et le champ magnétique interplanétaire sont alignés. Ces tourbillons se trouvent aux latitudes équatoriales de la magnétosphère, là où les champs magnétiques sont rapprochés et ce qui en est à l'origine est l'effet dit l'effet Kelvin-Helmholtz (effet physique qui peut affecter partout deux flux adjacents qui s'écoulent près l'un de l'autre à des vitesses différentes). Dans la magnétosphère, on a vu cet effet se produire également à des lieux variés et même quand le champ magnétique interplanétaire se trouve dans diverses configurations. La densité, dans la magnétosphère, du plasma et de ses particules chargées est beaucoup plus faible que celle du plasma à l'extérieur, qui est dominée par le vent solaire. Lorsque le champ magnétique interplanétaire est orienté vers l'Ouest -soit vers l'aube- ou vers l'Est -soit vers le crépuscule- les couches frontières de la magnétopause aux hautes latitudes sont plus sujettes aux instabilités Kelvin-Helmholtz. Cela permet un influx continu de vent solaire dans la magnétosphère. Quand le champ interplanétaire est Ouest ou East, les couches frontières de la magnétopause aux latitudes supérieures sont plus sujettes aux instabilités Kelvin-Helmholtz. Différents signes sont également annonciateurs d'une tempête solaire au niveau de la Terre: ainsi les ceintures de Van Allen qui accélèrent leur rotation ou l'accumulation d'une couche de particules solaires dans la couche la plus extérieure de la magnétosphère (avec des valeurs, par exemple, de l'ordre de 6500 km). Ces signes avaient déjà été observés avant les puissantes tempêtes solaires du passé -le "Carrington Event" des années 1850 et la puissante tempête de 1958. Lorsque les électrons du vent solaire, d'une façon générale, entrent en collision avec les électrons de l'atmosphère; il y a transfert d'une partie de leur énergie, ce qui échauffe ces derniers. Cet excès de chaleur fait que les électrons se développement vers le haut, le long des lignes du champ magnétique, créant un champ électrique vertical, lequel, à son tour, attire vers le haut les particules positivement chargées et celles qui sont neutres; ainsi, la densité atmosphérique est accrue sous forme de colonnes plutôt qu'en couches horizontales

les lignes du champ magnétique, avec, superposées, les couleurs rouges représentant les parties les plus denses de la feuille de plasma; sur la droite on voit un morceau de la feuille de plasma qui semble être scindée de la partie principale et qui va se diriger dans la magnétotail -la queue magnétique- sous forme d'un plasmoïde; cette image de la magnétosphère a été réalisée par la mission IBEX. site 'Amateur Astronomy' sur la base d'une image Southwest Research Institute/IBEX Science Team

L'atmosphère terrestre, d'une façon générale, lorsqu'elle est atteinte par un évènement solaire, réagit en éjectant de la radiation, comme moyen de maintenir -en la refroidissant- l'équilibre du budget énergétique de la planète. Cela a comme conséquence que la haute atmosphère terrestre, en conséquence, se contracte ou s'étend en altitude

->Des plumes ioniques créées dans la ionosphère comme sous-produits des tempêtes géo-magnétiques
La ionosphère, lorsqu'une éjection coronale de masse du Soleil frappe le champ magnétique solaire, voit se développer et persister des "plumes ioniques", a-t'on découvert récemment. Ces effets influent sur les GPS, les transmissions radio et les communications radio et à bord des avions. Ces plumes sont constituées d'air ionisé -de l'air avec un surplus de densité d'électrons- aux hautes altitudes et elles se déplacent aux alentours de 1400 km/h (1 km/s) (2200 miles/h; 1 km/s). Elles pourraient avoir leur origine là où les effets de l'éjection coronale de masse se font sentir près de l'équateur magnétique -essentiellement au-dessus de l'Afrique. Ces plumes se formant dans l'ionosphère, elles peuvent également atteindre en retour jusqu'à l'espace extérieur à l'ionosphère

Pour ce qui est des origines du champ magnétique terrestre, on pense qu'il est dû à l'interaction entre les deux parties du coeur terrestre: un coeur liquide, en effet, existe autour d'un noyau central solide et l'interaction entre les deux génère un phénomène de dynamo électrique. On connaît deux types de mouvements qui causent des variations différentes du champ magnétique: des mouvements résultant d'une convection lente, qui se produisent à l'échelle d'un siècle et des mouvements provenant d'ondes hydromagnétique rapides, qui se mesurent en termes de quelques années. Du fait de ces flux et de leur variabilité, le champ magnétique terrestre est un système vivant: son axe, par exemple, varie et, en conséquence, les pôles magnétiques dérivent. Cette inversion s'observe, sous une forme aléatoire, dans les champs magnétiques créés en laboratoire. Le pôle nord magnétique, ainsi, passe lentement du Canada à la Sibérie. Les données au sujet du pôle nord magnétique ont commencé d'être enregistrées en 1831. D'après les enregistrements de la géologie et des fossiles que nous avons des changements de polarité magnétique passé, il semble qu'aucun danger ne soit lié à ceux-ci. Au cours des derniers 20 millions d'années, le cycle des renversements s'est établi à entre 200 000 et 300 000 ans. Aujourd'hui, il y a deux fois plus longtemps qu'il n'y a pas eu inversion. Une inversion se déroule sur des centaines ou des milliers d'années et il n'y a pas vraiment d'inversion brusque: de nombreux pôles émergent à diverses latitudes au cours de cette durée. Tel que re-créé en laboratoire, une inversion se déroule sur plusieurs milliers d'années. Pendant une telle phase d'évolution, le champ magnétique de la Terre ne présente plus son aspect classique d'aimant mais il devient emmêlé et compliqué, les pôles magnétiques pouvant se situer n'importe où à la surface de la Terre et il peut même y avoir plus de deux pôles magnétiques -plusieurs ovales auroraux existant à la surface de la Terre et s'y déplaçant. La magnétosphère terrestre est bien entendu modifiée en cas d'inversion du champ magnétique mais, cependant, elle ne disparaît pas et elle continue de protéger la Terre. On pense que les inversions ont eu lieu au moins des centaines de fois au cours des 3 derniers milliards d'années. Elles ont été plus fréquentes après la fin des dinosaures et, sous leur règne, les inversions avaient lieu tous les 1 million d'années. On a constaté, depuis le XIXème siècle, que le champ magnétique terrestre avait diminué de 10%. Il faut cependant placer ce déclin en perspective (de nos jours, par exemple, le champ magnétique est deux fois plus puissant que la normale). Les scientifiques pensent que ce déclin, d'autre part, serait plutôt le signe que le champ magnétique est est au début de ce qu'on appelle une "excursion magnétique", un tel phénomène voyant le champ, sur une période de 400 ans, enchaîner rapidement des inversions. Plusieurs excursions ont eu lieu au cours de ces derniers millénaires qui, de plus, pourraient être liés à des changements climatiques à grande échelle. De tels changements, par ailleurs, pourraient être, via des sécheresses et des famines à l'origine du déclin de plusieurs grandes civilisations, ainsi l'Egypte vers 2000 ans avt. J.-C. ou les Mayas en l'an Mil. La dernière inversion a eu lieu il y a 780 000 ans, ce qu'on appelle l'"inversion Brunhes-Matuyama". Les fossiles, alors, ne montrent aucun changement remarquable en termes de plantes, d'animaux ou de glaciation. Les flux du fer liquide au coeur de la Terre crée des courants électriques qui, à leur tour, créent le champ magnétique; ces flux sont variables. Le pôle nord magnétique, par ailleurs, s'est déplacé vers le Nord de plus de 1100 km (600 miles) depuis le début du XIXème siècle. Actuellement, il se déplace plus rapidement dans cette direction, à une vitesse de 64 km/an (contre 16 au début du XXème siècle). Enfin, il n'existe aucune preuve que le bouclier protecteur de la magnétosphère ait jamais disparu complètement. Un champ plus faible amènerait sans doute une légère hausse des radiations solaires sur la Terre (ainsi que des aurores boréales à des latitudes plus basses), mais rien de mortel. De plus, même avec un champ affaibli, l'atmosphère même nous offirait une protection. Une des conséquences extrêmes de l'affaiblissement de la magnétosphère serait un affaiblissement de la couche protectrice d'ozone; un déclin de la magnétosphère ou de l'héliosphère, cette magnétosphère géante du Soleil, qui protège le système solaire, amènerait un refroidissement de la Terre. Quand la dernière inversion complète du champ magnétique a eu lieu il y a 780 000 ans, on était à l'époque d'Homo erectus, lequel, apparemment, a survécu en tant qu'espèce. Le déplacement du pôle magnétique semble dû au fait que les ondes sismiques générées par les interactions entre le coeur interne et le coeur externe de la Terre, gagnent la surface le plus rapidement par le pôle

->Le satellite Themis comprend mieux les sous-tempêtes géo-magnétiques et les aurores
La mission Themis, consacrée à l'étude des aurores, a montré récemment que les sous-tempêtes gé-magnétiques et les aurores pourraient bien être déclenchées par des "cordes magnétiques" ("magnetic ropes" en anglais) qui relient directement le Soleil à la magnétopause, 64000 km (40000 miles) au-dessus de la Terre. De tels liens directs semblent se produire à n'importe quel moment, se formant et se défaisant en seulement quelques minutes. Ce bref laps de temps n'empêche cependant pas que s'établissent un liant significatif entre le Soleil et la magnétosphère. Un autre phénomène surprenant est que le vent solaire est quelquefois affecté de "noeuds magnétiques". Quand ces noeuds atteignent l'onde de choc de la magnétosphère, il se produit une explosion, laquelle augmente brutalement la température des particules du vent solaire (d'une valeur de 10 fois), jusqu'à des valeurs de l'ordre de 10 millions de degrés. Ce phénomène, que l'on appelle une "anomalie de flux chaud" ("hot flow anomaly" en anglais, "HFA") ne joue cependant pas de rôle significatif dans les tempêtes magnétiques car ils sont trop peu fréquents. Par ailleurs, les électrons des ceintures de Van Allen peuvent affecter les satellites ou les missions habitées qui les traversent. Les ceintures de Van Allen augmentent ou diminuent de taille en réponse aux évènements énergétiques solaires qui parviennent jusqu'à la Terre. Le mécanisme en reste mal connu. Pour au moins les tempêtes géomagnétiques, on a déterminé, début 2012, que, lorsque les ceintures diminuent de taille, les particules, qui se déplacent à presque la vitesse de la lumière, partent en direction de l'extérieur, de l'espace interplanétaire et pas en direction de la Terre, ce qui fait, de plus, que, corrélativement, une zone de basse densité qui commence d'apparaître sur le bord extérieur des ceintures, se déplace vers l'intérieur. Il semble probable qu'une sorte d'ondes facilitent ce mouvement des particules vers l'extérieur. Les tempêtes solaires, quelquefois, peuvent entraîner une chute soudaine du nombre des particules des ceintures de Van Allen, capables de les vides en l'espace de quelques heures. Cette chute peut durer pendant des jours

->Le satellite Themis découvre des éléments nouveaux et importants quant aux "brèches" qui se produisent dans la magnétosphère
La mission Themis a observé, en 2008, que certaines des "brèches" qui se produisent dans la magnétosphère (ces ruptures qui permettent au vent solaire de pénétrer dans notre bulle protectrice) peuvent atteindre jusqu'à 6400 km (4000 miles) d'épaisseur (cela vaut pour les ruptures qui ont lieu dans la couche externe de la magnétosphère). Elles durent jusqu'` 1 heure. La mission Thémis, de plus, a noté que les brèches les plus importantes pourraient bien se produire lorsque le champ magnétique terrestre et celui du Soleil ont une polarité identique, au rebours de ce que l'on pensait jusque là!

->La plasmasphère, le facteur essentiel de la magnétosphère au cours des super-tempêtes solaires!
Des études récentes (2008) montrent que ce sont les protons de la plasmasphère qui jouent le rôle majeur vis-à-vis de la magnétosphère pendant les super-tempêtes solaires. La plasmaspère, en effet, est compressée par le vent solaire et elle forme une longue queue -appelée la "plume plasmasphérique", au sein de laquelle les protons sont énergisés encore plus par le vent solaire. Lorsque les protons reviennent dans la magnétosphère, ils en deviennent le facteur essentiel pour ce qui est de la forme de la magnétosphère pendant ces tempêtes solaires