Le taux de chauffage dans l'environnement magnétique autour de la Terre estimé pour la première fois

Par Anaïs Vergnolle / Publié le 30 janvier 2018

Des chercheurs du Laboratoire de Physique des Plasmas (UPSud/CNRS/Polytechnique /Sorbonne Université/Observatoire de Paris) et de l’Institut Suédois de la Physique de l’Espace (l’IRF) ont estimé pour la première fois le taux de dissipation d’énergie de la turbulence dans la magnétogaine, région clé située entre le vent solaire et la bulle magnétique qui protège la Terre. Grâce aux outils théoriques développées par le LPP et aux données collectées par les sondes spatiales Cluster et Themis, les valeurs trouvées sont au moins 100 fois supérieures à celles obtenues dans le vent solaire. Les résultats de cette étude constituent une avancée majeure dans ce domaine et pourraient s’appliquer à d’autres milieux astrophysiques lointains.

Turbulence et magnétogaine terrestre

Le vent solaire est un plasma supersonique (flux de particules chargées principalement des protons et des électrons) qui est continuellement émis par le soleil. Il se propage dans le milieu interplanétaire et interagit avec les planètes du système solaire. Pour les planètes pourvues d’un champ magnétique intrinsèque, une magnétosphère se forme autour de la planète et agit comme un obstacle s’opposant à l’écoulement du vent solaire. L’interaction vent solaire-magnétosphère génère alors une onde de choc, suivie d’une région très turbulente appelée magnétogaine dans laquelle le vent solaire ralentit, devient plus dense et plus chaud (Figure1). La turbulence plasma dans la magnétogaine est considérée comme un ingrédient clé pour comprendre les transferts d’énergie et la pénétration des particules du vent solaire dans la magnétosphère, processus responsables de plusieurs phénomènes dynamiques tels que les aurores polaires.


Gauche (©SOHO/LASCO/EIT NASA, ESA) : image montrant l’interaction du vent solaire avec la magnétosphère ; Droite (©James Burch) : différentes régions clefs résultant de cette interaction, dont la magnétogaine (objet de cette étude)

Chauffage et milieux astrophysiques

Malgré plusieurs décennies de recherche sur la turbulence plasma dans la magnétogaine, plusieurs de ses propriétés fondamentales demeurent méconnues. Une de ces inconnues est le taux moyen avec lequel l'énergie est dissipée, c’est-à-dire convertie en chaleur, dans le milieu. Dans un fluide turbulent (air, eau dans une rivière), des gros vortex de taille voisine collisionnent entre eux, se fragmentent et créent des vortex de plus petite taille jusqu’à atteindre des échelles encore plus petites où l’énergie cinétique des vortex est convertie en chaleur (dissipation). Le taux avec lequel cette dissipation se fait est le même que celui avec lequel l’énergie des gros vortex est transférée aux plus petits (Figure 2). Dans la magnétogaine, cette cascade peut couvrir des échelles allant de 100000 km à 1km. L’énergie mise en jeu est celle des champs électrique et magnétique et sa dissipation se traduit par un chauffage soit une accélération des particules du plasma. Ces processus se produisent dans beaucoup de plasmas astrophysiques (chauffage de la couronne solaire, accélération des rayons cosmiques, ...). 


Vue (simplifiée) du processus de cascade turbulence d’énergie des larges échelles (d’injection) jusqu’aux petites échelles (de dissipation) avec un flux constant

Une avancée majeure

Les chercheurs du LPP et l’IRF ont réalisé des progrès significatifs dans la compréhension de la turbulence dans la magnétogaine terrestre, en obtenant la première estimation du taux de dissipation de l’énergie. En raison de la nature complexe de cette turbulence et de l'importance des fluctuations de densité, il n’était pas possible jusque-là d’obtenir cette estimation en utilisant le modèle de turbulence incompressible largement utilisé dans le vent solaire. De nouveaux modèles théoriques plus complets ont été développés récemment au LPP pour remédier à cette lacune. Leur application à un large échantillon de données venant des sondes spatiales ESA/Cluster et NASA/Themis dans la magnétogaine terrestre a permis d’obtenir ce taux de dissipation de l’énergie.

Les valeurs trouvées sont aux moins 100 fois plus élevées que celles déjà estimées dans le vent solaire.

Ce travail a également permis d’obtenir une première loi empirique qui montre que les fluctuations de densité et du champ magnétique amplifient le taux de chauffage. Si cette loi est universelle, elle pourrait être appliquée à des milieux astrophysiques plus lointains, tels que les magnétosphères d'autres planètes ou le milieu interstellaire, dans lequel les mesures in-situ sont rares ou inexistantes (Fig. 3). Les processus par lesquels l’énergie de la turbulence est dissipée restent une question ouverte à laquelle les travaux futurs tenteront de répondre.


Vue d’artiste de la frontière du système solaire et son interaction avec le vent stellaire. Ce système est très analogue à celui de la Figure 1 (avec notamment la formation de l’héliogaine, région fortement turbulente). © NASA

Ces résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters, le 29 janvier 2018.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.055102

Contact :
Lina Z. Hadid, Swedish Institute of Space Physics (IRF) Uppsala, Suède (lina@irfu.se)
Fouad Sahraoui, LPP/CNRS, (fouad.sahraoui @ lpp.polytechnique.fr)

Dernière modification le 6 février 2018