Naissance d'une Ceinture de Radiation

(texte extrait d'un article de D.P. Stern)

Les impacts des fragments de la comète Shoemaker-Levy récements tombés sur Jupiter nous rappellent avec fracas que des forces violentes existent dans l'espaces et qu'elles s'exercent comme içi d'une façon spectaculaire. Un évènement violent d'un type différent s'est produit en mars 1991, quand une puissante onde de choc interplanétaire a frappé le champ magnétique terrestre et a crée une nouvelle ceinture de radiation. Rien de tel ne s'était produit depuis juillet 1962, quand la US Air Force a fait explosé une bombe à hydrogène dans l'atmosphère, creant une ceinture de radiation piégée qui a tenu pendant cinq années et causé la perte de trois engins spatiaux.

Le 24 mars 1991, à 03:42, heure de Greenwich, la population d'électrons et de protons piégés dans le champ magnétique terrestre a soudainement très fortement augmenté. La nouvelle ceinture était si intense qu'elle a mis hors service (en quelques jours) le satellite de communication MARECS-1. Le satellite météo de la NOAA, GOES-7, fut aussi sérieusement endommagé.

Le vent Solaire

Cette fois-ci le coupable n'était pas une bombe à hydrogène mais notre bon vieux Soleil. Le Soleil est une source de chaleur et de lumière nécessaire à la vie . Il produit aussi de violentes éruptions, particulièrement aux alentours du pic de son cycle de 11 ans. En plus de la lumière solaire, le soleil envoie un vent solaire, un flot continu de gaz raréfié très chaud, soufflant à partir du sommet de l'atmosphère du Soleil : la couronne solaire chauffée à des millions de degrés. Ce gaz est si chaud que les atomes dont il est constitué se brisent, formant une "soupe" de particules libres : des électrons négatifs et des ions positifs (principalement des protons). En termes scientifiques, le gaz devient un "plasma" conduisant l'électricité. Il se déplace à environ 250 miles par secondes et il est si raréfié et si chaud que ses particules chargées ne peuvent se recombiner à nouveau.

Le vent solaire rempli la totalité du système solaire, bien au delà des planètes les plus reculées, mais il n'atteint pas la Terre parcequ'elle est protégée par notre champ magnétique terrestre. Le vent solaire s'écoule autour de l'obstacle magnétique comme un ruisseau s'écoule autour d'une pierre placée sur son trajet. Il se forme alors une cavité de protection autour de la Terre : "la magnétosphère". Du coté de cette cavité faisant face au soleil, le vent solaire ne s'approche pas à plus de 10-11 rayons terrestres.

Les Nuages Interplanétaires de Plasma

Mais l'écoulement du vent solaire n'est pas toujours stable ni calme : se superposent à lui de violentes bouffées provenant du Soleil qui engendrent d'énormes nuages précédés de soudaines ondes de chocs. Les bouffées semblent être associées aux taches solaires, des aires sur le Soleil fortement magnétiques dont le nombre chute avec un cycle de 11 ans. Une partie de l'énergie magnétique associée aux taches solaires peut apparemment être relâchée plutôt soudainement -- On ne comprend pas bien comment ni pourquoi et on manque aussi d'idées pour expliquer pourquoi la couronne est si chaude.

En plus des nuages qui s'étendent, les bouffées du Soleil crées un grand nombre d'ions rapides, en quantité suffisante pour remplir le système solaire en entier, chacun ayant une énergie qui peut atteindre plusieurs millions de fois celles des particules du vent solaire. De telles particules se comportent comme des radiations nucléaires intenses et sont un danger pour la vie des astronautes qui, à l'extérieur de la magnétosphère terrestre, peuvent en allant vers la Lune ou vers Mars se trouver sur leur chemin. Les rayons X intenses et les ondes radios sont aussi émises. Elles proviennent d'électrons de haute énergie qui n'arrivent pas à s'échapper du Soleil.

Jusqu'à récemment, de telles radiations étaient imputées aux éruptions solaires, des taches brillantes qui apparaissent dans la haute atmosphère du soleil, près des taches solaires, laissant supposer qu'une énergie conséquente a été relâché dans la couronne. Mais en 1973, les astronautes à bord de la station spatiale Skylab ont observé quelque chose de nouveau : des énormes "bulles" de gaz s'étendant à l'extérieur bien plus vite que le vent solaire, suffisamment rapidement pour pousser les ondes de choc en tête du vent solaire dans l'espace interplanétaire. De telles "éjections de masse coronale" (CMEs) semblaient étroitement liées aux ondes de chocs interplanétaires qui frappent de temps en temps la magnétosphère. Chaque année quelques unes de ces ondes sont suffisamment puissantes pour pousser les frontières de la magnétosphère au delà de l'orbite géostationnaire (à environ 6,6 Rayon Terrestre), là où se trouvent généralement les satellites de communications. Depuis peu, certains pensent que les éjections de masse coronale, plus que les érruptions, sont les signes du relâchement d'énergie solaire qui affecte la terre.

L'évènement du 24 mars 1991

Le 23 mars 1991, une éruption justement significative s'est produite sur le Soleil, et quelques heures plus tard, des protons très énergétiques sont apparus au voisinage de la Terre. Cela a pris un jour pour que l'onde de choc arrive (d'habitude le vent solaire met 5 jours pour arriver) et elle a aussi frappé la magnétosphère du coté "après-midi" ; plus tard, l'onde de choc a dépassé Ulysse, 2,5 fois plus distante du Soleil (Ulysse est une sonde spatiale qui se dirige vers le Soleil pour étudier les régions au dessus de ses pôles). Les données de l'engin spatial ont suggéré après coup que la frontière avait pu être poussée en arrière à une profondeur record, jusqu'à 4 rayons terrestres par rapport au centre de la terre et que l'impact avait crée aussi une seconde onde de choc à l'intérieur de la cavité, s'étendant à travers la magnétosphère.

A cet instant, l'engin spatial de recherche CRRES, mis au point par la US Air Force avec la participation de la NASA était "enfoui" profondément à l'intérieur de la ceinture de rayonnement, à une distance de 2,55 Rayons Terrestre. CRRES (prononcez "cress") veut dire Combined Release and Radiation Effects Satellite (satellite d'effets combinés de relâchement et de radiation). Il est doté de multiples outils - pour sonder la ceinture de radiation, aussi bien que pour relâcher des nuages de vapeur de baryum et de lithium, permettant de tracer les mouvements de la magnétosphère comme une volute de fumée trace les mouvement du vent. CRRES était aussi un banc d'essai pour de nombreux circuits électroniques, dans le but d'aider les ingénieurs à concevoir des composants électroniques et des micro-ordinateurs capables de fonctionner correctement dans l'espace même dans le cœur de la ceinture de radiation.

La première chose que CRRES vit fut un torrent de protons et d'électrons hautement énergétiques. Les protons avaient des énergies supérieure à 20 MEV, 20 Millions d'Electron Volts, à peu près 20 000 fois l'énergie moyenne d'un proton dans le vent solaire. L'énergie des électrons était d'environ 15 Mev, et l'énergie des autres types de particules était suffisante pour pénétrer les équipements spatiaux et causer des dommages. Dans les mots qui concluaient une étude scientifique sur l'événement "il est heureux que les missions spatiales de nos jours passent moins de temps dans ces régions de la magnétosphère terrestre". En ce jour particulier et pour longtemps encore, cette région était vraiment une zone "chaude".

L'accélération des particules énergétiques

Face à de tels phénomènes, les ingénieurs se sont naturellement inquités au sujet de la sécurité des passagers et des équipemements embarqués. Les scientifiques cependant restèrent intrigués : comment les particules pouvaient-elles gagner des énergies aussi élevées moins d'une dizaine de secondes ? dans les laboratoires, les particules peuvent être accélérées par des accélérateurs, des machines intelligemment conçues qui conduisent précautionneusement leurs particules, mais dans la nature, les conditions varient tout le temps et ne suivent pas de règles précises.

Neanmoins, nous avons des preuves abondantes que les ions et les électrons dans l'espace sont en effet accélérés à de hautes énergies, partout à travers l'univers : dans les éruptions et les CMEs près du soleil, dans les fugitifs "sous orages magnétiques" de la magnétosphère, dans les ceintures de radiations de Jupiter et autres planètes magnétisées et dans des sources de rayonnement cosmiques inconnues, le perpétuel "crachin" d'ions extrêmement énergétiques qui bombardent la terre. Le 24 mars 1991, cela s'est produit justement devant nos yeux, comme si c'était par un tour de passe-passe. Mais comment ?

Quelques signes proviennent des particules elles mêmes. Les ions énergétiques et les électrons piégés par le champ magnétique terrestre sont déviés autour de l'équateur -- les protons positifs sont déviés dans le sens des aiguille d'une montre (vue du nord), les électrons négatifs en sens contraire. La soudaine bouffée d'électrons interceptée par CRRES a rapidement diminué, suggérant qu'elle était causée par un nuage compact d'électrons qui allait être bientôt déviée au loin.


Les observations de CRRES (à gauche) et une simulation d'ordinateur (à droite) : des injections soudaines d'électrons de haute énergie le 24 mars 1991. L 'axe horizontal mesure le temps et les pics sont séparés d'environ 150 secondes.

Le nuage est revenu plusieurs fois après avoir fait le tour de la terre a des intervalles d'environ 150 secondes. La longueur de la période de ce mouvement indiqua aux chercheurs que les électrons avaient une énergie d'environ 15 Mev, et le fait que le pic de radiation soit bien défini sur au moins 4 tours suggèra que l'étendue de leur énergie était assez faible. Plus l'énergie est grande, plus rapide est la déviation. Du coup, un nuage d'électrons ayant des énergies très différentes est rapidement dispersé parce que les électrons rapides dépassent les plus lents. C'est ce qui arriva aux électrons produits par des bombes en 1962 ; l'impulsion initiale (révélée par une impulsion radio) était abrupte et bien définie, mais quand elle est revenue après un tour de circuit, elle s'était déjà déformée et ressemblait à une dune de sable. Les protons observés le 24 mars 1991 ont aussi affiché des "échos" qui restaient ensemble sur plusieurs tours mais c'est parceque leur déviation était plus rapide (les protons sont plus lourds) et la séparation des pics retours était plus petite.

Explication des accélérations soudaines

Les scientifiques ont alors examiné l'onde de choc elle même, enregistrée par les observatoires magnétiques autour du globe à travers les impulsions magnétiques associées. Vue du CRRES, l'onde de choc était aussi accompagnée d'un fort champ magnétique, un pic de tension électrique. Le phénomène ondulatoire dans l'espace est généralement combiné avec des champ magnétiques et électriques, le champ électrique donne de l'énergie aux ions et aux électrons tandis que le champ magnétique les dirigent essentiellement.

Dr Xinlin du Collège de Dartmouth dans le New Hampshire et ses collègues -- Mary Hudson à Dartmouth, Ilan Roth, John Wygant et Mike Temerin à Berkeley, et Bernie Blake à l'Aerospace Corporation -- ont utilisé un ordinateur pour modéliser le chemin des ondes de choc et pour retracer la façon dont elles d'affectent les électrons déjà présent dans la magnétosphère. Ils ont sélectionnés une large gamme de positions et d'énergies initiales puis ils ont calculé les tracés de plus de 300000 électrons, en examinant comment chacun d'eux s'éloignait quand l'onde passait à leur niveau. D'une certaine façon, le résultat ressemblait au tracé d'un surfer surfant sur une vague. Les électrons démarrant avec des positions et des énergies défavorables avaient gagné peu d'énergie, et en avait même perdu. ; cependant quelques chanceux, ceux dont la vitesse correspondait à celle de l'onde, ont été porté par la crête jusqu'à rentrer profondément dans la magnétosphère et ont gagné beaucoup d'énergie grâce à ce processus. Dans leur simulation, Dr Li et ses collègues ont pu reproduire de façon assez convaincante, l'impulsion initiale et les deux "échos" de déviations périodiques.

Est-ce que cela expliquait la façon dont les ions et les électrons sont accélérés dans la nature ? Pas complètement, parce que les électrons favorisés ont déjà besoin d'avoir une assez grande certaine énergie au départ, proche de 2 MeV. Les électrons de faible énergie qui sont en abondance dans la magnétosphère gagnent très peu d'énergie : comme les morceaux de bois flottant dans le surf, à mesure que l'onde de choc les dépassent, leur énergie augmente brièvement et diminue ensuite. Les électrons d'environ 2MeV existent dans la magnétosphère, et ils semblent être les seuls à partir desquelles de nouvelles radiations se soient formées. Mais leur origine a toujours été quelque chose de mystérieux : certains scientifiques ont même spéculés qu'ils pouvaient s'être échappés d'une ceinture de radiation intense de la lointaine planète Jupiter.

La nouvelle ceinture

Le passage de l'onde de choc laisse aussi la terre avec une ceinture durable contenant des protons énergétiques. Avant mars 1991, la principale source de danger de radiation dans l'environnement proche de la Terre était la ceinture de radiation interne très intense, un sous produit du rayonnement cosmique. Après cette date, les traversées par CRRES ont montré un second pic d'intensité comparable, apparemment composé de protons au dessus de 20 Mev comme la ceinture interne . Elle était plus distante que la ceinture interne de radiation, centrée dans une région où le CRRES avait fait ses observations initiales. En regardant après coup, l'engin spatial était justement placé idéalement pour observer l'évènement.


(à gauche) Avant l'évènement du 24 mars 1991 ;
(à droite) Immédiatement après. L'axe horizontal mesure la distance au centre de la terre. Le bord gauche est à la surface de la Terre (1 rayon terrestre = 1 RE), les pics de " l'ancienne " ceinture interne (panneau de gauche) apparaissent tous les 1,5 RE et les pics des ions et des électrons ajoutés par la nouvelle ceinture sont à environ 2,1 à 2,2 RE.

CRRES a continué d'observer la nouvelle ceinture pendant des mois jusqu'au 12 octobre 1991, date à laquelle l'engin spatial n'a plus fonctionné (à cause d'un problème de batterie). Jusqu'à cette dat, l'intensité de la nouvelle ceinture a diminué. Deouis, les scientifiques ont pu seulement s'arranger pour échantilloner les bords lointains de la ceinture, traversés par des satellites de basse altitude. Dans les décades suivantes, les Etats Unis ont toujours eu un ou plusieurs engins spatiaux dans une orbite éloignée, traversant tous les niveaux de la magnétosphère ; mais rien ne fut laissé après que CRRES tomba dans le silence. De ce que nous savons, quelques rémanence de ceinture orbitent encore au dessus de nos têtes.

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Dernière mise à jour : 5 juin 1996