Ceintures de radiation

Lorsque ce mouvement s'effectue en suivant les lignes de champ attachées aux deux extrémités de la terre, les particules sont conduites dans l'atmosphère où elles perdent leur énergie par choc. Mais, le plus souvent cela n'arrive pas. En effet, le mouvement de glisssement se ralenti à mesure que la particule pénètre dans des régions de fort champ magnétique, et il arrive même que la particule soit arrétée et retourne en arrière. Tout se passe comme si la particule était rejetée par les régions où le champ magnétique est fort, au contraire du fer qui lui, est attiré vers les régions de fort champ magnétique..

La force magnétique est bien plus élevée près de la terre qu'au loin et sur n'importe quelle ligne de champ magnétique, la force magnétique est plus élevée aux extrémités, là où elles entrent dans l'atmosphère. Ainsi les ions et les électrons peuvent rester piégés pendant longtemps, rebondissant d'un hémisphère à l'autre (voir le schéma ci dessous (il n'est pas à l'échelle), les spirales réelles deviennent bien plus petites près de la terre). C'est ainsi que la terre garde ses ceintures de radiations.

En plus de leur mouvement en spirale et de leur rebonds, les particules piégées ne restent pas toujours sur la même ligne de champ magnétique. Déportées d'une ligne à l'autre, les particules empruntent ainsi tous les chemins autour de la terre. Les ions sont déportés dans le sens des aiguilles d'une montre, vue du Nord), alors que les électrons sont déportés dans l'autre sens. Dans les deux cas, ces déplacements de charges électriques sont l'équivalent d'un courant électrique encerclant la terre et circulant dans le sens des aiguillles d'une montre.

Ce courant est appelé courant annulaire. Le champ magnétique qu'il produit affaiblit légèrement le champ observé sur la majeure partie de la surface terrestre. Durant les orages magnétiques, le courant annulaire recoit de nombreux ions et électrons supplémentaires provenant de la queue de la magéntosphère (coté "nuit") . Cela accroit l'effet du courant bien qu'à la surface de la terre cet effet dépasse rarement 1% de l'intensité totale du champ magnétique.

En savoir plus sur les particules piégées

La découverte de la ceinture de radiation

Avant 1958, les scientifiques savaient que les ions et les électrons pouvaient être piégés par le champ magnétique terrestre, mais ils ne savaient pas que de telles particules existaient en réalité. Au plus, on pensait que durant les orages magnétiques, une population de particues temporairement piégées créaient le courant annulaire décroissant à mesure que l'orage déclinait.

Les années 1957-8 furent désignées comme "année internationale de la géophysique" (IGY). Les Etats Unis et l'Union Sovétique (Russia) se préparèrent à lancer les premiers satellites artificiels. La Russie lança avec succès son premier Spoutnik ("satellite') le 4 octobre 1957, mais l'entrée officielle des EU avec Vanguard échoua. Les EU assemblèrent alors rapidement une fusée portant un satellite différent, le petit explorer 1 construit par James Van Allen et son équipe à l'université de Iowa. Il a été lancé le 31 janvier 1958.

Lancement de l' Explorer 1

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Explorer 1 emportait un seul instrument, un petit détecteur de particules énergétiques, un compteur Geiger destiné à observer les rayons cosmiques (des ions de très haute énergie d'origine inconnue arrivant sur la terre de l'espace lointain--voir section suivante). Les expériences fonctionnaient assez bien à basse altitude mais au sommet de l'orbite aucune particule n'était détectée. Explorer 3 qui suivit deux mois plus tard, enregistra continuement des données. Elles révélèrent que le comptage à zéro cachait en fait un très fort nivau de radiation : à haute altitude, les particules sont si énergétiques qu'en heurtant le compteur, elles le rendent inopérant. Non seulement il existait bien en permanence une ceinture de radiation, mais elle se révelait aussi remarquablement intense.

Un peu plus sur la découverte de la ceinture de radiation

Les ceintures de radiations de la Terre

La Terre possède deux régions où les particules rapides sont piégées. La ceinture de radiation interne découverte par Van Allen, relativement compacte, s'étend peut-être sur un rayon terrestre au dessus de l'équateur (1 RT = 6371 km ou environ 4000 miles). Elle est constituée de protons énergétiques produits par les collisions des ions du rayonnement cosmique avec l'atmosphère terrestre. Le nombre de tels ions est relativement faible et par conséquent, la ceinture interne s'accroit lentement, mais comme le piège "tendu" par la terre est très stable, des intensités très élevées sont atteintes même s'il faut des années pour les atteindre.

Plus loin, il existe une grande région, celle du courant annulaire, contenant les ions et les électrons de plus faible énergie (les plus énergétiques parmi eux sont aussi connu sous le nom de "ceinture de radiation externe"). Contrairement à la ceinture interne, cette population fluctue largement, elle augmente lorsque les orages magnétiques injectent de nouvelles particules provenant de la queue de la magnétosphère, puis diminue à nouveau. L'énergie du courant annulaire est principalement portée par les ions, la plupart d'entre-eux étant des protons.

Cependant, on voit aussi dans le courant annulaire des particules alpha et un certain pourcentage d'ion oxygène O+. Les premiers sont des atomes d'hélium qui ont perdu leur deux électrons, ils se trouvent en abondance dans le vent solaire. Les seconds sont similaires aux ions oxygène de l'ionosphère terrestre, bien que beaucoup plus énergétique. Ce mélange d'ions suggère que le courant annulaire de particules provient probablement de plus d'une source.

En savoir plus sur les ceintures de radiations terrestres

Energie et Particules énergétiques

L'énergie est la monnaie que tout processus naturel doit payer : de l'énergie est nécessaire pour accélérer le mouvement, faire tourner une machine, faire briller le soleil ou faire circuler un courant électrique dans un fil . Une loi fondamentale de la nature dit que l'énergie ne doit jamais disparaitre, elle change juste de forme : par exemple l'energie de la lumière du soleil peut être convertie en électricité par des cellules solaires ou l'énergie du vent peut être convertie par un moulin à vent, mais la quantité totale reste la même.

Les phénomènes dans l'espace impliquent de l'énergie sur deux échelles différentes. Une échelle implique l'énergie individuelle des ions et des électrons qui souvent se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière (une limite supérieure qui ne peut jamais être atteinte). Plus la particule est rapide, plus grande est son énergie et plus épais est le matériau nécessaire pour l'arrêter. Les énergies comme celle-ci sont mesurées en électron volt (eV) : les électrons des aurores ont une énergie de 1000 à 15000 eV, les protons dans la ceinture interne ont peut-être 50 millions d'eV, tandis que l'énergie des ions des rayons cosmiques atteint plusieurs milliards d'eV. Par opposition, les molécules de l'air dans l'atmosphère ont environ 0.03 eV, voilà qui soulève la question la plus fondamentale de la recherche spatiale : comment les particules acquièrent autant d'énergie?

L'autre échelle est celle d'un phénomène global de l'espace : les orages magnétiques, les sous orages, les aurores et les courant électriques reliant la terre et l'espace. Qui paie leur facture d'énergie? La principale source d'énergie semble être le vent solaire, mais les chemins par lesquels l'énergie est transportée et distribuée dans la magnétosphère ne sont pas complètement clairs.

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En savoir plus sur les particules hautement énergétiques

L'Orbite Géostationaire

Le plus grand nombre de satellites en opération, plus de 200, peuple certainement l'orbite géostationaire, une orbite circulaire au dessus de l'équateur ayant un rayon de 6.6 rayon terrestre (RT), soit environ 42000 km ou 26000 miles.

La vitesse orbitale d'un satellite dépend de sa distance à la terre. Pour une orbite circulaire juste à l'extérieur de l'atmosphère dense, un satellite a besoin de 90 minutes pour effectuer un tour complet, mais les satellites plus distants se déplacent plus lentement, et à un rayon de 6,6 RT, la période est proche de 24 heures, elle est calée sur la période de rotation de la terre. Un satellite au dessus de la terre à cette distance reste toujours au dessus du même point sur la terre et quand il est vu de la terre (disons par une antenne de TV) , le satellite se trouve toujours dans la même direction dans le ciel.

L'orbite géostationnaire est donc l'endroit idéal pour les satellites de télécommunication et de diffusion, elle est aussi utillisée pour les mesures météorologiques par exemple par la serie de satellite GOES de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). L'orbite géostationnaire est aussi utilisée pour des travaux scientifiques, parcequ'elle est, du coté "nocturne" de la terre, assez près de la transition du courant annulaire et de la queue de la magnétosphère.

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