Notion de plasma - Mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique

Gaz ionisé et plasma État de Plasma Exemple de l’eau: Énergie d’ionisation: H → H+ + e- : 13,6eV O → O+ + e- : 12,5eV PLASMA Ionisation ETAT Dissociation GAZEUX Évaporation ETAT LIQUIDE Fusion ETAT SOLIDE 104 – 105 K Énergie de dissociation ~ 5eV 373K Énergie d’évaporation: 0.42 eV/molécule 0-100°C : 0.08eV/molécule Énergie de fusion: 0.06eV/molécule 273K

Particule chargée dans un champ EM Cône de perte Dans une bouteille magnétique, la condition pour qu’une particule située à un endroit où règne B0 atteigne la zone Bmax est: Si la particule est réfléchie avant ou à la zone Bmax Si la particule franchie la zone de Bmax → cône de perte

Mouvement d’une particule chargée dans la magnétosphère Giration autour d’une ligne de champ Rebond entre 2 miroirs magnétiques Dérive azimuthale perp. à B

Trajectoire les particules chargées dans la magnétosphère

La magnétosphère

Le champ magnétique terrestre: composante fixe (ou presque) Origine: Mouvement de convection dans le noyau conducteur. Mais pas entièrement résolu, surtout sa dynamique. Configuration: dipôle magnétique de moment 8.1015Tm3, incliné par rapport au pôles de 11,5° et excentré de 460km, orienté vers le sud. Perturbations par rapport au dipôle: Eurasie et Atlantique au large côtes Afrique.

Évolution du champ géomagnétique

Cavité magnétosphérique La Terre et son champ magnétique constituent un obstacle à l’écoulement du vent solaire. Cet écoulement est dévié et la région dans laquelle le champ géomagnétique domine forme une cavité: la magnétosphère. Simulation montrant la densité dans l’environnement terrestre

Régions magnétosphériques

Choc d’étrave et magnétogaine (bow shock) (magnetosheath) Limite entre l’écoulement supersonique du vent solaire et l’écoulement subsonique de la magnétogaine (région entre le choc et la magnétopause). De l’ordre de 100 à 1000 km d’épaisseur. Conservation du flux de particules à travers le choc: → compression du plasma On montre de même que l’énergie des particules et l’amplitude du champ magnétique augmentent à travers le choc.

Couches limites 1. Magnétopause Couche limite entre le plasma de la magnétogaine et la magnétosphère où domine le champ géomagnétique. C’est une zone très importante puisque elle est le siège de tous les couplages et échanges entre le vent solaire et l’environnement terrestre. Quand les ions (positifs) et les électrons « voient » le champ magnétique terrestre, ils subissent une séparation de charge → courant de Chapman-Ferraro (~MA) L’épaisseur de la magnétopause est en gros déterminée par le rayon de giration des ions (quelques 100 de km).

Magnétopause

Magnétosphère interne 1. Plasmasphère

Magnétosphère interne 2. Ceintures de radiation (radiation belt) Découvertes par Van Allen Deux ceintures, une interne vers 1RT et l’autre externe vers 3-6 RT Zones assez denses de particules ionisées de hautes énergie. Plusieurs modes de création: Interne: Rayon cosmiques hautes énergies (10 à 100 MeV) Orages ou sous orages magnétiques Externe: anneau de stockage de particules du feuillet.

Courants magnétosphériques

Courants magnétosphériques fermeture dans l’ionosphère

Couplages vent solaire-magnétosphère Un partie des particules magnétosphériques proviennent de l’ionosphère mais aussi du vent solaire. L’activité solaire influe sur l’activité géomagnétique. Couplage entre le vent solaire, la magnétosphère et l’ionosphère. Transfert de masse reconnexion, diffusion, pénétration impulsive. Transfert d ’énergie par les champs, les ondes.

Magnétohydrodynamique (MHD) Notion de gel du plasma dans B En MHD dite idéale: - Le flux magnétique à travers un contour donné lié au plasma est constant. - Un élément fluide qui est sur une ligne de champ reste lié à cette ligne de champ. Le vent solaire ne peut donc pas pénétrer dans la magnétosphère!

Reconnexion magnétique La reconnexion magnétique est un processus fondamental dans un plasma qui: Modifie la topologie magnétique. Convertit l’énergie magnétique en énergie cinétique. Accélère les particules.

Reconnexion magnétique

Couplage VS-M-I Reconnexion magnétique

Couplage VS-M-I Reconnexion magnétique

L’ovale auroral Effet miroir peu efficace pour les électrons  pénètrent dans l’atmosphère  précipitation. Cela forme deux ovales au N et au S, image des lignes L=4 à L=10 (Entre 65° et 75° de lat)

Et sur les autres planètes?

Magnétosphères stellaires