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 !