Le bouclier magnétique de la Terre

Comment la Terre tient tête au vent du Soleil, et ce que fait une tempête solaire

Étape par étape

La Terre est un aimant

Le fer en fusion qui brasse le noyau externe de la Terre crée un champ magnétique. Au sol, il est environ cent fois plus faible qu'un aimant de frigo, mais il s'étend loin dans l'espace. Ses pôles sont à environ 9° de l'axe autour duquel la Terre tourne.

À presque mi-chemin du centre de la Terre se trouve le noyau externe : un océan de fer liquide chauffé à des milliers de degrés. La chaleur qui monte d'en dessous le fait bouillonner, et la rotation de la Terre enroule ses courants en spirales. Le fer en mouvement porte des courants électriques, les courants électriques créent un champ magnétique, et le champ entretient les courants : une dynamo naturelle qui tourne depuis des milliards d'années.

Les lignes montrent la forme du champ : l'aiguille d'une boussole s'aligne sur elles. Elles sortent de la Terre dans l'hémisphère Sud et y rentrent près du nord : le pôle vers lequel pointe une boussole est donc, à proprement parler, un pôle sud magnétique.

Les pôles magnétiques se déplacent, et tous les quelques centaines de milliers d'années, en moyenne, le champ s'inverse : le nord et le sud échangent leurs places. La dernière inversion remonte à environ 780 000 ans. La lave enregistre la direction du champ en refroidissant, si bien que les vieilles roches tiennent le journal de chaque inversion.

Le vent du Soleil

L'atmosphère extérieure du Soleil, la couronne, est des centaines de fois plus chaude que sa surface visible, si chaude que la gravité du Soleil ne peut pas la retenir. Elle s'échappe dans l'espace dans toutes les directions : c'est le vent solaire. Eugene Parker l'a prédit en 1958, et des sondes spatiales l'ont confirmé quelques années plus tard.

Le vent est un plasma : un gaz si chaud que ses atomes sont brisés en particules chargées, surtout des protons et des électrons. Il est extrêmement ténu, à peine quelques particules dans le volume d'un morceau de sucre, plus vide que le meilleur vide obtenu en laboratoire. Pourtant il ne s'arrête jamais, et il emporte le champ magnétique du Soleil à travers tout le Système solaire.

Les particules chargées ont du mal à traverser les lignes de champ magnétique ; elles tournent plutôt en spirale autour d'elles. Le champ de la Terre agit donc comme un bouclier qui fait contourner la planète au vent. Mars n'a pas de tel champ global, et en quelques milliards d'années le vent solaire lui a arraché une grande partie de son air.

Le bouclier

Le vent solaire va plus vite que toute onde qui pourrait le devancer pour l'avertir de l'obstacle. Il ne peut donc pas contourner la Terre en douceur : il ralentit brusquement et s'échauffe au choc d'étrave, comme la vague qui se forme devant la proue d'un bateau en marche.

Passé le choc, le vent ralenti s'écoule autour de la magnétopause, là où sa poussée et celle du champ terrestre s'équilibrent. C'est la limite de la magnétosphère, la bulle magnétique de la Terre : à l'intérieur, le champ de la Terre commande ; à l'extérieur, le vent du Soleil.

La bulle est aplatie du côté du Soleil et très étirée derrière, comme une manche à air. Sa taille change avec le vent : quand il souffle plus fort, la magnétopause est repoussée plus près de la Terre. Dans l'espace, ces deux frontières sont invisibles ; ici, elles sont dessinées comme des voiles lumineux.

Une queue au-delà de la Lune

Du côté nuit, le vent solaire entraîne le champ terrestre en une longue queue, la queue magnétique. Personne ne sait exactement quelle est sa longueur. Des sondes l'ont trouvée bien au-delà de la Lune, et elle s'étend peut-être à plus de 15 fois la distance de la Lune.

Au milieu de la queue court la couche de plasma, une nappe de particules chargées très chaudes. Au-dessus et au-dessous, les lignes de champ pointent dans des sens opposés, tendues comme des élastiques et stockant l'énergie du vent solaire. Quand elles se relâchent d'un coup, cette énergie allume les aurores, comme le montre une étape plus loin.

La Lune passe environ six jours par mois dans la queue, de trois jours avant la pleine lune à trois jours après. Elle y est à l'abri du vent solaire, et la sonde japonaise Kaguya y a découvert de l'oxygène venu de la haute atmosphère terrestre qui retombait sur elle.

Les ceintures de radiation

Une particule chargée tourne en spirale autour d'une ligne de champ magnétique. Près des pôles, là où les lignes se resserrent et où le champ devient plus fort, la spirale se resserre jusqu'à ce que la particule fasse demi-tour, comme renvoyée par un miroir. Elle rebondit ainsi d'un pôle à l'autre en une seconde ou moins, tout en dérivant tout autour de la Terre, et elle peut rester piégée pendant des années.

La ceinture intérieure contient surtout des protons d'une énergie énorme, et elle change à peine. La ceinture extérieure est faite surtout d'électrons et change sans cesse : une tempête solaire peut la vider ou la remplir en quelques heures.

Explorer 1, le premier satellite américain, emportait un compteur de radiations construit par l'équipe de James Van Allen. Tout en haut, il ne comptait plus rien du tout, ce qui n'avait aucun sens jusqu'à ce qu'Explorer 3 montre pourquoi : les radiations étaient si intenses qu'elles saturaient le compteur.

Avec le son activé, vous entendez les ceintures : des ondes radio enregistrées par les sondes Van Allen de la NASA. Leurs fréquences sont les mêmes que celles des sons que nous entendons, si bien qu'un haut-parleur peut les jouer directement. Ce genre d'ondes accélère certains électrons et en précipite d'autres vers l'atmosphère.

Une tempête solaire

Les taches solaires sont des zones plus sombres et plus froides où le champ magnétique du Soleil perce sa surface, emmêlé et tordu. Quand un champ tordu se détend d'un coup en une forme plus simple, il libère une énergie énorme : un éclair de lumière et de rayons X appelé éruption, et souvent un nuage de gaz projeté dans l'espace avec son propre champ magnétique, une éjection de masse coronale.

La lumière de l'éruption atteint la Terre en environ huit minutes ; un nuage met un à quatre jours. Les télescopes qui surveillent le Soleil donnent quelques jours d'avance, mais la vraie force d'un nuage ne se révèle que lorsqu'il passe devant des sondes postées quatre fois plus loin que la Lune, moins d'une heure avant de nous atteindre.

En mai 2024, le groupe de taches AR 3664 était plus de 15 fois plus large que la Terre, assez grand pour être vu sans télescope, avec des lunettes d'éclipse. Le Soleil approchait du maximum de son cycle de 11 ans, et les 8 et 9 mai, le groupe a lancé nuage après nuage vers la Terre.

Comprimé

Ce qui compte le plus, c'est l'orientation du champ propre au nuage. Du côté du Soleil, le champ terrestre pointe vers le nord. Quand le champ d'un nuage pointe vers le sud, les deux sont opposés et peuvent se rejoindre, comme les pôles opposés de deux aimants qui se collent. Le bouclier s'ouvre : les lignes de champ terrestres s'accrochent au vent, qui les entraîne par-dessus les pôles jusque dans la queue, en y déversant de l'énergie.

Un nuage dont le champ pointe vers le nord glisse surtout à côté, et même rapide, il fait peu de dégâts. C'est pourquoi les prévisionnistes ne peuvent pas dire quelle sera la force d'une tempête avant que le nuage n'atteigne les sondes qui l'attendent.

Aurores boréales et australes

L'énergie accumulée dans la queue n'y reste pas. Les lignes de champ étirées se rétractent vers la Terre comme une catapulte et projettent des électrons le long du champ. Les lignes redescendent près des pôles : les électrons frappent donc la haute atmosphère selon un anneau autour de chaque pôle magnétique, l'ovale auroral qui brille ici.

Quand un électron heurte un atome d'oxygène ou une molécule d'azote, il lui donne un surplus d'énergie, qui ressort sous forme de lumière d'une couleur bien précise, comme brille une enseigne au néon. L'oxygène donne du vert. Plus haut, où l'air est le plus ténu, il donne du rouge : cette lumière rouge met près de deux minutes à sortir, et plus bas une collision volerait l'énergie avant. L'azote brille en bleu et en violet.

Les aurores du nord et du sud brillent en même temps, presque comme des images en miroir. D'autres planètes dotées d'un champ magnétique en ont aussi : les aurores de Jupiter sont plus grandes que la Terre entière.

La tempête de mai 2024

Ce fut la plus forte tempête depuis 2003. On a vu des aurores aussi loin des pôles qu'au Mexique, en Inde et en Namibie, et en juin le satellite CIRBE de la NASA a découvert deux nouvelles ceintures de particules qu'elle avait laissées entre celles de Van Allen.

À mesure que la tempête injectait de l'énergie, les anneaux de lumière se sont étendus loin vers l'équateur, et des millions de personnes ont vu une aurore pour la première fois. Les appareils photo des téléphones en ont capté plus que les yeux : ils saisissent des rouges et des roses pâles que nos yeux distinguent à peine la nuit.

Les tempêtes spatiales touchent aussi nos technologies. Les positions GPS ont dérivé, et des tracteurs guidés par satellite sont sortis de leurs rangs en pleine période de semis en Amérique du Nord. La haute atmosphère, chauffée, s'est gonflée et a freiné les satellites bas, et des milliers d'entre eux ont dû allumer leurs moteurs pour garder leur orbite.

La tempête a aussi laissé quelque chose de nouveau. En juin, CIRBE, un satellite de la NASA de la taille d'une boîte à chaussures, a découvert deux nouvelles ceintures entre les ceintures de Van Allen, dont une contenant des protons, une composition jamais vue. La ceinture d'électrons s'est effacée au bout de trois mois environ ; l'autre a duré bien plus longtemps.

Pourtant, ce n'était pas la tempête la plus forte jamais enregistrée. En 1859, l'événement de Carrington a allumé des aurores jusque sous les tropiques et fait jaillir des étincelles des fils du télégraphe. Une telle tempête aujourd'hui pourrait faire bien plus de dégâts : c'est pourquoi le Soleil est surveillé jour et nuit.