Modélisation de la dynamique couplée des plasmas magnétosphérique et ionosphérique

Météorologie de l’espace

Qu’est ce que la météorologie de l’espace ? 

La météorologie de l’espace est la prédiction de l’impact des activités solaire et géomagnétique sur l’ensemble des activités humaines. Elle dépend aussi de la position de notre planète par rapport à notre étoile, et de la position de cette dernière dans la galaxie. Le soleil est un formidable réservoir d’énergie dont l’expression la plus spectaculaire reste les éjections de masse coronale (ou CME, signifiant Coronal Mass Ejection). Cette bulle de plasma, gaz composé de particules chargées positivement et négativement, peut atteindre des proportions dantesques (typiquement quelques dizaines à centaines de rayons terrestres (RT) pour 1013–1014 kg) et n’est pas sans conséquence pour l’environnement terrestre. Se dépla¸cant à une vitesse d’environ 100–2500 km s−1, elle met typiquement 3 jours pour atteindre la Terre et son champ magnétique, provoquant des orages magnétiques. Par ailleurs, l’astre du jour émet en permanence un flux de plasma (environ 109 kg s−1) appelé le vent solaire et se déplacant en moyenne à 450 km s−1. Le champ magnétique interplanétaire est la composante du champ magnétique solaire gelée dans le vent solaire et transportée dans le milieu interplanétaire. L’orientation du champ magnétique interplanétaire varie. Une orientation antiparallèle au champ magnétique terrestre crée des conditions favorables au déclenchement dans la queue de la magnétosphère d’événements impulsifs considérables, qu’on appelle les sous-orages magnétiques. Finalement, le soleil émet en continu un rayonnement électromagnétique dont certaines composantes s’avèrent létales pour l’homme. Ainsi, l’atmosphère terrestre et le champ géomagnétique constituent deux remparts, contre les menaces issues de notre étoile. C’est de la volonté d’identifier, de mieux connaitre et de prévoir les risques que fait peser le Soleil sur les hommes et ses technologies qu’est née la météorologie de l’espace. 

Impacts liés aux tempêtes magnétiques

Les aurores naissent des émissions lumineuses résultant des collisions entre les particules atmosphériques et les particules d’origine solaire ou magnétosphérique, qui pénètrent dans la haute atmosphère (on parle de précipitations). Bien que magnifiques et inoffensives, elles sont souvent associées à d’autres manifestations des tempêtes magnétiques menacant directement l’homme et ses technologies. Ainsi, les personnels de bord des avions de ligne et les spationautes sont directement exposés aux radiations et doivent se protéger en cas de tempête magnétique. Une exposition trop longue ou trop intense serait fatale. De plus, l’augmentation de densité du plasma magnétosphérique lors des tempêtes magnétiques peut provoquer des dommages à la surface, mais aussi au coeur des satellites et aller jusqu’à leur perte. L’ionosphère est la composante chargée de l’atmosphère située à environ 100 km d’altitude. Les ondes électromagnétiques s’y réfléchissent, permettant ainsi leur propagation autour de la Terre. Ce principe, à l’origine des communications radio (télévision, téléphones cellulaires, etc.) est mis à mal lors des tempêtes magnétiques pouvant altérer certaines couches de l’ionosphère (en particulier la couche F2). Les courants électriques ionosphériques peuvent générer un champ électrique responsable de la circulation d’un courant induit à la surface de la Terre qui, s’il se propage dans les pipelines ou le réseau électrique, peut les altérer ou les endommager. Ce phénomène est à l’origine en 1989 d’une panne générale qui priva le Québec d’électricité durant plus de 9 heures. Enfin, le rayonnement UV intense qui accompagne certaines éruptions solaires peut être à l’origine du réchauffement et de l’expansion de l’atmosphère, ce qui peut causer une altération de l’orbite des satellites de basse altitude. Les variations de densité ionosphériques peuvent aussi perturber les systèmes de navigation par satellite.

Efforts de modélisation

 La météorologie de l’espace recouvre de nombreux domaines liés par exemple à la physique solaire, à la physique magnétosphérique ou bien à la physique des plasmas. Les efforts de modélisation sont nombreux et permettent de traiter des sujets aussi variés que l’héliosphère, la couronne, les éruptions et le vent solaire, la magnétosphère et l’atmosphère terrestre (petites, moyennes et grandes échelles), et bien d’autres encore. Les couplages entre modèles décrivant le Soleil, la Terre et leurs relations ont permis de mettre à jour deux grand modèles de « météo spatiale », l’un développé à l’université de Boston au CISM (Center for Integrated Space Weather Modeling), l’autre à l’université du Michigan au CSEM (Center for Space Environment Modeling). Le travail que j’ai effectué porte sur une partie des domaines couverts par la météorologie de l’espace, la convection magnétosphérique