Quel est l’impact du vent solaire sur la Terre ?

Une nou­velle généra­tion de mis­sions spa­tiales est en cours. L’objectif : mesur­er les champs élec­triques et mag­né­tiques dans les plas­mas spa­ti­aux ain­si que les par­tic­ules qui les com­posent (élec­trons, pro­tons et ions lourds). Mieux com­pren­dre ces champs per­met aux chercheurs d’étudier des phénomènes tels que la tur­bu­lence dans le vent solaire et son inter­ac­tion avec les mag­né­tosphères planétaires.

Les résul­tats de ces mis­sions sont d’une grande impor­tance, non seule­ment pour com­pren­dre ces effets, mais aus­si pour mieux car­ac­téris­er les struc­tures à grande échelle. Par exem­ple, les éjec­tions de masse coro­nale dans le vent solaire génèrent ce qu’on appelle des « tem­pêtes solaires » ayant un impact sur l’environnement mag­nétisé de la Terre ¹. Ces dernières, si elles sont suff­isam­ment fortes, peu­vent endom­mager nos réseaux élec­triques et de com­mu­ni­ca­tion ain­si que les satellites.

Le vent solaire est un gaz ion­isé appelé plas­ma, com­posé prin­ci­pale­ment d’électrons et de pro­tons. Il est con­tin­uelle­ment éjec­té de la haute atmo­sphère du soleil dans toutes les direc­tions vers l’espace inter­plané­taire, le long des lignes de champ mag­né­tique émanant du Soleil. Il a deux com­posantes : un vent « rapi­de » se déplaçant à env­i­ron 500–800 km/s provenant des trous coro­naux au niveau des pôles de notre astre et un vent « lent » à env­i­ron 200–400 km/s émis prin­ci­pale­ment au niveau du plan équa­to­r­i­al du Soleil. Lorsque le vent solaire entre en col­li­sion avec les par­tic­ules de l’atmosphère ter­restre, de nom­breux pho­tons sont émis dans un même laps de temps, créant ain­si de mag­nifiques aurores polaires que l’on peut observ­er à des lat­i­tudes élevées dans les hémis­phères nord (aurores boréales) et sud (aurores australes).

Le vent solaire est très tur­bu­lent. Entre autres, mon tra­vail con­siste à étudi­er les pro­priétés de la tur­bu­lence de ce vent autour de la Terre, mais aus­si autour d’autres planètes, comme Sat­urne et Mer­cure. La Terre est à une unité astronomique (UA = 150 000000 km) du Soleil, alors que Sat­urne est beau­coup plus éloignée, à 10 UA. En analysant les don­nées « in situ » des ondes et des par­tic­ules (den­sité et tem­péra­ture des ions, élec­trons, champs mag­né­tiques et élec­triques), provenant d’instruments embar­qués à bord de dif­férentes son­des. La sonde Clus­ter de l’Agence spa­tiale européenne (ESA) orbi­tant autour de la Terre et celle de l’agence spa­tiale améri­caine (NASA), la sonde Cassi­ni qui orbite autour de Sat­urne. Mes col­lègues et moi avons pu étudi­er et com­par­er les pro­priétés de la tur­bu­lence à ces dif­férentes distances.

Le lab­o­ra­toire de physique des plas­mas (LPP)est impliqué dans deux autres mis­sions solaires récentes ². La pre­mière, Park­er Solar Probe (PSP) de la NASA, a été lancée en 2018 et a effec­tué ses mesures à une dis­tance très proche du soleil — à seule­ment 24 mil­lions de kilo­mètres. PSP pour­suit son voy­age vers le soleil et, comme son orbite se rétréc­it, elle fini­ra par attein­dre une dis­tance de péri­hélie de seule­ment 6,16 mil­lions de kilo­mètres en 2024–25 (quelques cen­tièmes de la dis­tance Terre-Soleil), où elle con­naî­tra des tem­péra­tures de près de 1400 °C. Elle sera la pre­mière mis­sion spa­tiale à pénétr­er l’atmosphère du Soleil. La sec­onde mis­sion est Solar Orbiter de l’ESA, lancée en 2020. Cette sonde s’approchera à 42 mil­lions de kilo­mètres du Soleil et explor­era ses régions hors-éclip­tique (lat­i­tude de 30°) qui n’ont jamais été observées aupar­a­vant et mesur­era son envi­ron­nement électromagnétique.

Les pre­miers résul­tats de PSP mon­trent d’étranges inver­sions du champ mag­né­tique dans la direc­tion radi­ale, appelées « switch­backs », accom­pa­g­nées d’une aug­men­ta­tion impul­sive de la vitesse du vent solaire, encore inex­pliquée. La façon dont les par­tic­ules sont accélérées dans le vent solaire et le rôle que joue le chauffage de la couronne solaire (la haute atmo­sphère du Soleil, chaude d’un mil­lion de degrés) restent égale­ment de grands mys­tères et PSP aidera cer­taine­ment à mieux les com­pren­dre. La tur­bu­lence est l’un des proces­sus physiques qui peut expli­quer le chauffage de la couronne solaire et du vent solaire.

Out­re l’étude des pro­priétés de la tur­bu­lence dans le vent solaire et les « mag­né­to­gaines » plané­taires (les zones d’in­ter­face entre le vent solaire et la mag­né­tosphère), nous avons par­ticipé à la phase finale de la mis­sion de la NASA Cassi­ni, lorsque ce satel­lite a tra­ver­sé l’espace entre la planète Sat­urne et ses anneaux ³. Cassi­ni a effec­tué 23 orbites en tra­ver­sant le plan des anneaux en pas­sant pour la pre­mière fois à l’intérieur de l’anneau D le plus interne. Chaque semaine, on rece­vait des don­nées de la sonde de Lang­muir à bord du satel­lite qui nous per­me­t­tait de déduire la den­sité élec­tron­ique de l’ionosphère de Sat­urne (la couche externe de son atmo­sphère). Nous avons pu non seule­ment car­ac­téris­er pour la pre­mière fois d’une manière détail­lée cette ionosphère, mais avons égale­ment détec­té des grains de pous­sière et de la matière organique qui étaient tombés directe­ment depuis l’anneau D dans l’atmosphère de la planète ⁴.

Nous sommes égale­ment impliqués dans la mis­sion Bepi­Colom­bo, une mis­sion con­jointe de l’ESA et de la JAXA (Agence Spa­tiale Japon­aise), lancée en 2018 afin d’explorer la com­po­si­tion ion­ique, l’atmosphère et la mag­né­tosphère, ain­si que l’histoire de la planète Mer­cure et sa géo­physique. Bepi­Colom­bo est un sys­tème cou­plé : un orbi­teur plané­taire (le Mer­cury Plan­e­tary Orbiter four­nit par l’ESA) ; et un orbi­teur mag­né­tosphérique (le Mer­cury Mag­ne­tos­pher­ic Orbiter, four­nit par la JAXA).

Le LPP a fourni deux instru­ments pour cette mis­sion : un spec­tromètre de masse (MSA), qui mesure la com­po­si­tion ion­ique dans la mag­né­tosphère de Mer­cure, et un mag­né­tomètre à induc­tion dou­ble-bande (DB-SC), ou Search Coil, qui mesure le champ mag­né­tique à haute fréquence (1Hz-640kHz). Les deux satel­lites de Bepi­Colom­bo, actuelle­ment en phase de croisière, entreront en orbite finale autour de Mer­cure en décem­bre 2025.

Le 10 août 2021, Bepi­Colom­bo a sur­volé pour la sec­onde et dernière fois la planète Vénus, et le 1eroctobre 2021 pour la pre­mière fois la planète Mer­cure, afin de béné­fici­er d’une assis­tance grav­i­ta­tion­nelle qui a infléchi sa tra­jec­toire vers l’intérieur du sys­tème solaire. Un grand nom­bre d’instruments à bord ont été act­ifs pen­dant ces sur­vols, four­nissant des don­nées uniques sur l’environnement de Vénus et de Mer­cure, y com­pris leur inter­ac­tion avec le vent solaire. En par­ti­c­uli­er, le spec­tromètre d’ionsMSA et les mag­né­tomètres DBSC du LPP ont recueil­li, pour la toute pre­mière fois, des don­nées sci­en­tifiques dans l’espace. Nous analysons actuelle­ment ces don­nées. D’autre part, en plus des mesures effec­tuées lors des sur­vols de planètes, cer­tains instru­ments à bord de Bépi­Colom­bo seront opéra­tionnels dans le vent solaire. En effet, j’ai coor­don­né un groupe de tra­vail afin de définir des straté­gies d’observations mul­ti­points, c’est-à-dire des obser­va­tions con­jointes entre les satel­lites Bepi­Colom­bo, Solar Orbiter et Park­er Solar Probe lorsque les trois sont alignés radi­ale­ment ou mag­né­tique­ment dans le vent solaire ⁵. Une première !