Sur Terre, il faut une aiguille sensible pour détecter les forces magnétiques, et dans l’espace, elles sont généralement beaucoup plus faibles. Mais au-delà de l’atmosphère dense, ces forces jouent un rôle bien plus important et il existe autour de la Terre une région où elles dominent l’environnement, une région connue sous le nom de magnétosphère terrestre . Cette région contient un mélange de particules chargées électriquement, et les phénomènes électriques et magnétiques plutôt que la gravité déterminent sa structure. Nous l'appelons la magnétosphère terrestre.
Seuls quelques-uns des phénomènes observés au sol proviennent de la magnétosphère : les fluctuations du champ magnétique connues sous le nom d'orages et sous-orages magnétiques, et les aurores polaires ou « aurores boréales », apparaissant dans le ciel nocturne de lieux comme l'Alaska et la Norvège. Les satellites dans l’espace détectent cependant bien plus : les ceintures de rayonnement, les structures magnétiques, les particules à flux rapide et les processus qui les dynamisent. Tout cela est décrit dans les sections qui suivent.
La Terre, au noyau de fer , se comporte comme un grand aimant et les scientifiques ont passé un siècle à explorer sa forme et sa structure. La visualisation ci-dessus montre le champ magnétique autour de la Terre – la magnétosphère – tel qu’il pourrait être vu depuis l’espace. Ce point de vue est conceptuel, mais basé sur des observations scientifiques réelles réalisées depuis le début de l’ère spatiale. Les lignes orange et bleue représentent la polarité nord et sud opposée des lignes de champ terrestre.
Les lignes de champ ne sont pas réellement visibles, mais elles peuvent être détectées par des capteurs qui comptent les particules atomiques – des protons et des électrons chargés se déplaçant dans l’espace autour de la Terre. Contrairement au motif symétrique de la limaille de fer et de l'aimant, la magnétosphère est poussée vers l'intérieur du côté faisant face au Soleil et s'étend dans l'ombre de la Terre. Ceci est causé par le vent solaire, un flux de particules à grande vitesse s'échappant du Soleil et portant la signature de son propre champ magnétique.
Comme la couche d’ozone, la magnétosphère est importante pour la vie sur Terre car elle nous protège de la plupart des rayonnements nocifs et du plasma chaud du Soleil, en les déviant vers l’espace. Le champ magnétique est constamment secoué par les émissions de notre étoile la plus proche, ce qui peut entraîner la circulation de courants électriques dans l'espace autour de la Terre, courants susceptibles de perturber les transmissions radio et d'endommager les satellites dans un phénomène connu sous le nom de météorologie spatiale.
Sous-orages magnétiques
L'environnement magnétique terrestre est rarement calme. De temps en temps, elle subit une tempête magnétique , une perturbation du champ magnétique observable partout dans le monde, qui dure quelques jours et s'ajoute sensiblement au plasma piégé par la Terre. La tempête est accompagnée de grandes aurores lumineuses, s'étendant souvent bien au-delà de la zone aurorale, un spectacle rare pour ceux qui n'y sont pas habitués.
Un type de perturbation plus fréquent, et peut-être plus fondamental, est le sous-orage magnétique (sa relation avec les orages magnétiques est discutée plus loin). De nombreuses caractéristiques de la sous-orage restent à expliquer, mais il est largement admis qu'elle représente la violente décharge d'énergie magnétique accumulée dans la queue de la magnétosphère.
Tempêtes magnétiques
Alors que les sous-orages ne sont observés que dans la zone aurorale, les orages magnétiques sont un phénomène mondial. Leurs perturbations magnétiques au sol sont plus faibles, mais les courants électriques qui les produisent peuvent en réalité être beaucoup plus forts : ils sont simplement beaucoup plus éloignés, dans le courant annulaire, à quelques rayons terrestres. Lorsque la tempête commence, de nouveaux ions arrivent dans le courant annulaire depuis la couche de plasma et augmentent son intensité, puis, à mesure que la tempête reflue, la plupart des nouveaux ions sont progressivement éliminés, souvent par collision avec des atomes d'hydrogène situés aux confins de l'atmosphère terrestre.
L'accélération de ces nouveaux ions et leur injection dans le courant annulaire s'accompagnent de sous-orages importants et violents. La région aurorale s'étend, permettant aux aurores d'être vues vers l'équateur depuis leur emplacement habituel. C’est la raison pour laquelle beaucoup de gens associent les aurores boréales aux orages magnétiques !
Nous ne savons toujours pas pourquoi les sous-orages qui se produisent lors des orages magnétiques diffèrent du type habituel, pourquoi ils injectent beaucoup plus de plasma dans la magnétosphère interne et à une profondeur beaucoup plus grande. D'une part, les sous-orages « ordinaires » sont déclenchés par des changements relativement modérés du vent solaire ou du FMI, et peuvent même éclater spontanément si des conditions favorables existent. Les orages magnétiques de grande taille nécessitent toujours une forte stimulation interplanétaire : l'arrivée d'un nuage de plasma rapide et dense, lancé par une éruption solaire (le champ magnétique du nuage doit être orienté vers le sud), ou d'un courant rapide de vent solaire. Ils sont relativement peu fréquents, se produisant peut-être une ou deux fois par mois, ce qui n'a rien à voir avec l'intervalle de quatre heures de Herrick, cité au début de cette section.
