PETIT LEXIQUE sur la physique spatiale


Aurores polaires

Les aurores polaires apparaissent, vues depuis la Terre, comme des taches ou des bandes de lumière, souvent striées, un peu comme des rideaux lumineux se balançant dans un courant d'air. Elles sont surtout de couleur verte ou rouge. On peut les observer pendant plusieurs dizaines de minutes. On les observe à des latitudes voisines de 70 degrés, c'est à dire en Scandinavie, au Nord de la Sibérie, au Canada, en Alaska, ou -au Sud- aux abord du continent Antartique. Ces lumières aurorales sont émises à des altitudes comprises entre 80 et 150 kilomètres, dans l'ionosphère. La lumière des aurores provient des collisions entre des particules rapides provenant de la magnétosphère et les atomes et ions de l'ionosphère. Les aurores boréales sont les aurores polaires que l'on observe dans l'hémisphère Nord. Les aurores australes sont les aurores polaires que l'on observe dans l'hémisphère Sud.

Ceintures de radiation, ou ceintures de Van Allen

Régions de la magnétosphère dans laquelles sont piégées des particules de haute énergie. Le piégeage de ces particules est du au champ magnétique terrestre qui, sans ralentir les particules, les force à décrire des boucles autour de la Terre. Les particules, qui mettraient une fraction de seconde à traverser l'environnement terrestre si elles allaient en ligne droite, peuvent rester emprisonnées dans le champ magnétique terrestre pendant plusieurs semaines. L'énergie de ces particules dépasse couramment le MeV, c'est à dire l'énergie qu'aurait un électron accéléré par un champ électrique d'un million de Volts. Les particules des ceintures de radiation sont essentiellement des rayons cosmiques qui ont été capturés (il y a plusieurs processus de capture). Certaines particules de moindre énergie proviennent du vent solaire.

Champ magnétique

Champ de forces agissant sur la direction de la vitesse des particules électriquement chargées.


De nombreux astres sont des sources de champ magnétique. Le Soleil a un champ magnétique très variable et complexe. La Terre, Mercure, Jupiter, Saturne, Neptune, Uranus ont un champ magnétique permanent. Le champ magnétique des planètes interagit fortement avec le vent solaire. Parmi les astres plus lointains, de nombreuses étoiles jeunes ont un champ magnétique très intense. Les pulsars (restes très denses d'étoiles massives effondrées, en rotation très rapide) ont un champ magnétique très fort. Il existe aussi des champs magnétiques à l'échelle des galaxies. D'un point de vue plus quotidien, les aimants sont des sources de champ magnétique permanent. Les électro-aimants (dans les moteurs électriques par exemple) sont des aimants non permanents.

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Champ magnétique dipôlaire

Le champ magnétique d'un aimant cylindrique est un champ magnétique dipôlaire. Le champ magnétique créé par certaines planètes du système solaire, dont la Terre, est assez bien décrit par un modèle de champ dipôlaire. Néanmoins, ce modèle n'est valable qu'à proximité immédiate de la planète, car au delà, il est déformé par l'influence du vent solaire.


Voir magnetosphere...


Choc (ou onde de choc)

Lors qu'un fluide (un gaz, un liquide ou un plasma) se propageant plus vite que le son (ou que d'autres ondes importantes comme les ondes d'Alfvén pour un plasma) rencontre un obstacle, il se créera en amont de l'obstacle une frontière au travers de laquelle la vitesse du fluide passera brutalement en dessous de la vitesse de l'onde. C'est un choc.

Par rapport aux ondes de gravité (celles qui font les vagues à la surface de l'eau), il y aura à l'avant des bateaux (si ils vont plus vite que les vagues) un choc, dit choc d'étrave. Un choc d'étrave a lui même la forme d'une vague, qui se reforme continuellement. En général, il y a dans la zone entre le choc et le bateau beaucoup de petits troubillons, vaguelettes, et courants divers. On peut contempler aussi des chocs d'étrave en amont des piles de ponts, lorsque la vitesse du cours d'eau est suffisament élevée (par exemple en amont d'un torrent ou lors d'une crue).

Un avion supersonique est précédé d'une onde de choc.

La terre, dans le vent solaire (plus rapide que les ondes sonores et que les ondes d'Alfvén) est précédée d'une onde de choc.


Couronne Solaire

C'est la partie très étendue de l'atmosphère solaire qui est observable facilement lors des éclipses. Sa luminosité est due à la diffusion de la lumière du soleil par les électrons du plasma de la couronne (couronne K) et par des poussières (couronne F). A deux rayons solaires de distance de la surface, le plasma de la couronne solaire a une température d'environ 1 million de degrés et une densité de l'ordre de 108 particules par centimètres cubes. La couronne est un milieu fluctuant dans lequel apparaissent des structures très diverses, souvent liées à des modifications du champ magnétique (jets coronaux, trous coronaux, boucles coronales, arches magnétiques, points brillants etc...). Une des grandes questions scientifiques sur la couronne solaire concerne son chauffage : la couronne reçoit de l'énergie de la photosphère et de la chromosphère, deux couches atmosphériques situées très près de la surface du soleil. La photosphère et la chromosphère, plus denses que la couronne, ont une température voisine de 6000 degrés. Comment ces régions peuvent-elles chauffer la couronne à 1 million de degrés ?

Comète

Les comètes sont des petits corps (de l'ordre du kilomètre) composés de glace enrichie de poussières et de molécules (C2, CN, CH, NH2, OH...). Les comètes tournent autour du soleil, l'aphélie (=plus grande distance au soleil) est généralement située bien au delà des orbites des planètes. Cetaines comètes ont une orbite très allongée et se rapprochent périodiquement du Soleil. Lorsqu'elles sont assez près du Soleil, une partie de la glace dont elles sont composées s'évapore. Il se crée un halo gazeux autour de la comète, repoussé par le vent solaire de façon à engendrer une queue composée de gaz, de plasma et de poussières. La queue, très grande (quelques millions de kilomètres), est alors observable depuis la Terre. On observe en moyenne une dizaine de passages de comètes chaque année.

Compteur Geiger

Appareil servant à détecter la présence de particules de haute énergie, notamment utilisé pour la détection de matèriaux radio-actifs (puisque ceux-ci émettent des particules de haute énegie). Des compteurs Geiger furent embarqués à bord des premiers satellites artificiels. Actuellement, l'analyse des particules est faite à l'aide de spectromètres capables d'analyser non seulement le nombre de particules, mais aussi leur masse, leur énergie et leur direction.

Cornets polaires

Les cornets polaires sont deux régions de la magnétosphère situés dans le prolongement des pôles magnétiques. A cause des déformations des lignes de champ magnétique dues à l'interaction entre le champ magnétique terrestre et le vent solaire, ils sont situés du coté jour de la magnétosphère. Il y en a un au Nord et un au Sud. La frontière de la magnétosphère, la magnétopause, n'a pas les mêmes propriétés au dessus des cornets polaires qu'ailleurs. En effet, des particules chargées issues du vent solaire peuvent entrer dans la magnétosphère en passant par les cornets polaires. Une fois entrée, cette matière n'est pas précipitée vers l'inosphère, mais chassée vers la queue de la magnétosphère, en passant par une région appellée le manteau. C'est seulement après des pérégrinations assez complexes qu'une partie de cette matière se trouvera précipitée vers l'ionosphère pour "allumer" des aurores polaires.

Désexcitation atomique

Lorsque l'on bouscule un atome ou une molécule (avec un photon, un électron ou un autre atome ou une molécule), on lui apporte une certaine quantité d'énergie. L'atome (ou la molécule...) garde une partie de cette énergie, c'est l'excitation. Quelques instants plus tards (parfois cela se chiffre en milliardièmes de secondes), l'atome rend une partie (ou la totalité) de cette énergie en émettant un photon (particule de lumière). C'est la désexcitation. La couleur de la lumière associée à ce photon dépend de son énergie. Un atome donné ne peut pas réémettre un photon de n'importe quelle énergie (ou couleur). Les couleurs que peuvent réémettre les atomes correspondent à des règles très précises, que l'on connait, et qui sont différentes pour chaque type d'atome. En analysant précisément les couleurs des aurores polaires, on est donc capable de déduire à quels atomes ils sont dus (oxygène, azote). Cette méthode d'analyse s'appelle la spectrographie. C'est une méthode connue et employée depuis le siècle dernier (bien que son fondement théorique n'ait été compris qu'au vingtième siècle).

Diamagnétique (effet)

Une région de l'espace ou règne un champ magnétique élevé tend à s'opposer à la venue des particules électriquement chargées. Cet effet s'appele l'effet diamagnétique. A titre d'exemple (important), certaines régions de la magnétosphère de la Terre, comme les lobes, ont un champ magnétique significativement plus élevé que dans le milieu interplanétaire. Bien que ces régions soient reliées à l'ionosphère (relativement dense) de la Terre, les lobes sont des régions plus vides (0.01 particule par centimètre cube) que l'espace interplanétaire (5 particules par centimètre cube). Les lobes sont peut être les régions les plus vides que l'on ait jamais exploré. D'une facon générale, la magnétosphère est globalement moins dense que le milieu interplanétaire, c'est un conséquence de l'effet diamagnétique.

Ionosphère

Dernière couche atmosphérique. Au contraire des couches situées en dessous (troposphère, stratosphère, mésosphère), l'ionosphère est un mélange de gaz neutre et de plasma. Le chauffage de l'ionosphère (jusqu'à 10 000 degrés) et la création du plasma sont principalement dûs à l'absorption des rayonnements ultra-violets en provenance du Soleil. Au dessus de l'ionosphère se trouve la magnétosphère, exclusivement composée de plasma très peu dense. L'ionosphère terrestre est comprise entre 100 et 500 km d'altitude, et la concentration électronique maximale de 106 électrons/cm3 se situe vers 300 km d'altitude.

Lobe

Deux regions situées dans la queue de la magnétosphère ou le plasma est très peu dense (le moins dense de la magnétosphère, moins de 0,1 particule par centimètre cube) et où le champ magnétique n'est pas du tout négligeable. Les deux lobes (un au Nord, l'autre au Sud) entourent la couche de plasma.

Magnétosphère

C'est la zone autour des planètes magnétisées, située au delà de l'ionosphère dont la dynamique est contrôtrolée par le champ magnétique de la planète. La magnétosphère est plongée dans le vent solaire, et déformée par celle-ci : sa forme très allongée, comprimée du coté du soleil (coté jour) et étirée du coté nuit, un peu comme la queue d'une comète. C'est un milieu très dilué, même moins dense que le milieu interplanétaire qui l'entoure. Les magnétosphères sont remplies de plasma (sauf celle de Mercure) qui interagit fortement avec le champ magnétique. Les magnétosphères sont séparées du vent solaire par une frontière de quelques centaines de kilomètres d'épaisseur : la magnétopause.

En l'absence de vent solaire, le champ magnétique terrestre serait dipôlaire. Du fait de la présence du vent solaire les lignes de champ sont déformées et ont l'aspect montré ci contre -->
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Magnétopause

Frontière entre la magnétosphère, dominée par le champ magnétique de la planète, et le milieu interplanétaire, dominé par le vent solaire. La magnétopause est une frontière relativement étanche en ce sens qu'elle empèche la majeure partie du vent solaire de pénétrer dans l'environnement Terrestre.

Manteau

Région située dans la queue de la magnétosphère, sous la magnétopause, à l'extérieur des lobes. C'est une région plus dense que les lobes. On y mesure des flux de matière importants principalement dirigés dans la direction opposée à la Terre et au Soleil ("tailward motion" en anglais).

Maser

L'effet maser serait peut être le processus d'émission du rayonnement radio kilométrique terrestre. Le maser est un moyen d'obtenir des rayonnements radio intenses et limité à une gamme de fréquence très étroite. Il est fondé sur l'usage simultané d'un dispositif qui sélectionne une fréquence (cavité résonnante) et un mécanisme mettant la matiére dans un état instable propice à l'amplification des ondes (inversion de population). L'effet maser, qui concerne les ondes radio, présente de nombreuses analogies avec l'effet laser, qui s'applique aux ondes lumineuses. L'effet maser a tout d'abord été exploité pour construire des sources d'émission de micro-ondes (longueur d'onde de quelques centimètres). Ces micro-ondes sont employées entre autres dans les fours du même nom, et pour les radars. La découverte de masers naturels est très récente. Outre la Terre, Jupiter et Saturne, certaines étoiles sont des radio-sources qui seraient peut être dues à l'effet maser.

Micrométéorite

Corps solides orbitant dans l'espace interplanétaire autour du Soleil. Les micrométéorites ont une masse inférieure au millionième de grammme. Les micrométéorites sont des objets extrèmement courants, il en tombe plusieurs tonnes chaque jour sur Terre.

Onde

Les ondes sont des modifications des propriétés physiques d'un milieu. Ces modifications se propagent. La vitesse de propagation est appelée vitesse, ou célérité de l'onde. Les ondes peuvent avoir des formes extrèmement variables, mais on parvient en général à les décomposer en une somme d'ondes plus simples, dont la forme est sinusoidale. Ces sinusoides ont différentes longueurs (longueurs d'onde), différentes amplitudes, et il y a plusieurs formes de décalages entre deux sinusoides (phase de l'onde). L'étude des ondes sinusoidales est généralement plus simple que celle des ondes de forme quelconque. L'opération mathématique qui permet de décomposer une onde en une somme de sinusoides s'appelle la transformée de Fourier.

Il y a plusieurs types d'ondes, qui dépendent de quelle propriété physique du milieu est modifiée, et comment elle se propage.

Onde de lumière

Les ondes de lumière (celles qu'on voit avec nos yeux) sont des modifications du champ électrique et magnétique. Elles se propagent (dans le vide) à la vitesse c=299 000 km/s. On peut décomposer les ondes de lumière en ondes sinusoidales dont la longueur d'onde est comprise entre 0.3 et 0.8 micromètres. Les ondes radio, les microondes, les infrarouges, sont de même nature que les ondes de lumière, mais leurs longueurs d'ondes sont plus grandes. Les rayons ultraviolets, X, gamma sont de même nature que les ondes de lumière, mais de longueur d'onde plus courte.

Onde acoustique (ou sonore)

Dans un milieu non vide, il s'exerce des forces de pression au sein de la matière. Les ondes sonores propagent des variations de pression. Dans l'air (aux conditions ordinaires de pression et de température) les ondes sonores se propagent à 300 m/s, et leurs longueurs d'ondes sont de l'ordre du mètre. On peut les capter avec nos oreilles (elles sont faites pour cela !). Dans des milieux moins denses, comme le plasma interplanétaire, des ondes sonores se propagent. Leur longueur d'onde est de l'ordre de plusieurs centaines de kilomètres, leur vitesse de l'odre de 50 km/s (au voisinage de la Terre). On ne peut pas les entendre. Dans ces milieux, qui sont des plasmas, les modifications de pression qui caractérisent les ondes sonores sont accompagnées de modifications du champ éléctrique. On peut donc capter les ondes sonores des plasmas spatiaux avec des antennes électriques.

Onde d'Alfvén

Dans les plasmas ou existe un champ magnétique, il existe des ondes qui propagent des modifications du champ magnétique. Il en existe trois sortes. L'onde d'Alfvén (découverte par Annes Alfvén vers 1940) propage un changement de direction du champ magnétique. Deux autres ondes, les ondes magnétosonores lente et rapide, propagent une modification du champ magnétique associée à une modification de la pression (d'où leur epithète magnétosonore). Ces ondes jouent un rôle extrèmement important dans les plasmas.

Particule

Les particules sont les constituents de matière les plus petits que l'on a besoin de considérer. Quand on étudie un gaz (l'air par exemple), les particules sont des atomes ou des assemblages d'atomes, les molécules. Dans un plasma spatial, les particules sont des électrons, et des ions chargés positivement (des atomes auxquels il manque un ou des électrons).

Dans le vent solaire par exemple, les particules sont principalement des électrons, des ions hydrogène (= des protons =des atomes d'hydrogène privés de leur électron), et un peu d'ions d'hélium (privés de leurs deux électrons).

Dans la magnétosphère, les particules sont surtout des électrons, des ions hydrogène, un peu d'ions oxygène, et des ions d'hélium (privés d'un seul électron).

Comme un plasma est électriquement neutre, il contient autant de particules ayant une charge électrique négative (électrons) que de charges positives (portées par les ions).


Plasma

Gaz composé exclusivement (ou presque) de particules électriquement chargées. Les plasmas ont à la fois les caractéristiques d'un fluide et d'un conducteur d'électricité. Bien rares à l'état naturel sur Terre (foudre, étincelles, certaines flammes), c'est un des états de la matière les plus courants dans l'univers. Le vent solaire, les magnétosphères des planétes, les couronnes d'étoiles, sont constituées de plasma.
Pour en savoir plus sur les plasmas...

Queue de la magnétosphère

La partie lointaine de la magnétosphère qui surplombe les régions de la Terre où il fait nuit. La queue est en aval de la Terre par rapport à la direction de l'écoulement du vent solaire. La queue est une région très vaste, et très étirée. Elle s'étend jusqu'à plusieurs centaines de rayons terrestres, largement au delà de l'orbite de la lune (60 rayons Terrestres). La queue comprend les lobes, la couche neutre ou couche de plasma, une partie du manteau et elle est limitée par une partie de la magnétopause. C'est une région complexe dont la configuration peut changer brutalement en quelques dizaines de minutes (sous orages).

Rayons Cosmiques

Particules chargées très rapides en provenance du milieu interstellaire. Ces particules sont surtout des protons (85%), des noyaux d'Hélium (14%), des électrons (1%) et d'autres noyaux atomiques. Leur énergie est typiquement de 1 GeV (l'énergie qu'aurait un électron accélré par un champ électrique de un milliard de Volts), mais elle monte parfois jusqu'a 1011 GeV. Ces particules pourraient avoir été accélérées lors d'explosions de Supernovae. Le Soleil émet aussi des particules de haute énergie, mais généralement très inférieure au GeV.

Vent Solaire

Le milieu interplanétaire est balayé en permanence par un vent de particules électriquement chargées en provenance du Soleil. Ce vent est très peu dense (10 particules par centimètre cube), mais très rapide (400 à 800 km/s). C'est un vent supersonique (il se déplace plus vite que les ondes sonores). Le vent solaire est composé principalement d'électrons, de protons et de noyaux d'Hélium. Le vent Solaire est très fluctuant, il connait des sortes de tempètes (éruptions solaires) liées à l'activité de l'astre lui même. Le vent solaire est traversé par des ondes de choc. Il est émetteur d'émissions radio.

Vent Stellaire

Le Soleil n'est pas la seule étoile à souffler du vent. D'autres étoiles émettent un vent, en général constitué de plasma. Les étoiles jeunes magnétisées soufflent des vents beaucoup plus forts que le vent solaire.

Zone aurorale

Régions où l'on observe communément des aurores. Les aurores résultent de la luminescence de la haute atmosphère due à la désexcitation des molécules de l'atmosphère. Les molécules sont préalablement excitées par des électrons énergiques provenant de la magnétosphère et "précipités" vers l'atmosphère. Les zones aurorales constituent deux régions circulaires autour de pôles Nord et Sud.
auteur : Fabrice Mottez. version HTML: Juillet 1998, dernière modification : juillet 2001.
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