Nous, ici sur Terre, avons la chance d'avoir une atmosphère viable, protégée par la magnétosphère terrestre. Sans cette enveloppe protectrice, la vie en surface serait bombardée par des rayonnements nocifs émanant du Soleil. Cependant, la haute atmosphère terrestre fuit toujours lentement, avec environ 90 tonnes de matériau s'échappant par jour de la haute atmosphère et se déversant dans l'espace.
Et bien que les astronomes enquêtent sur cette fuite depuis un certain temps, de nombreuses questions restent sans réponse. Par exemple, quelle quantité de matière est perdue dans l'espace, quels types et comment cela interagit-il avec le vent solaire pour influencer notre environnement magnétique? Tel est l’objectif du projet Cluster de l’Agence spatiale européenne, une série de quatre engins spatiaux identiques qui mesurent l’environnement magnétique de la Terre depuis 15 ans.
Pour comprendre l'interaction de notre atmosphère avec le vent solaire, nous devons d'abord comprendre comment fonctionne le champ magnétique terrestre. Pour commencer, il s'étend de l'intérieur de notre planète (et est censé être le résultat d'un effet de dynamo dans le noyau), et atteint tout le chemin vers l'espace. Cette région de l'espace, sur laquelle notre champ magnétique exerce une influence, est connue sous le nom de magnétosphère.
La partie intérieure de cette magnétosphère est appelée la plasmasphère, une région en forme de beignet qui s'étend sur une distance d'environ 20 000 km de la Terre et co-tourne avec elle. La magnétosphère est également inondée de particules et d’ions chargés qui sont piégés à l’intérieur, puis sont renvoyés dans les deux sens le long des lignes de champ de la région.
À son bord avant orienté vers le soleil, la magnétosphère rencontre le vent solaire - un flux de particules chargées s'écoulant du soleil dans l'espace. L'endroit où ils entrent en contact est connu sous le nom de «Bow Shock», ainsi nommé parce que ses lignes de champ magnétique obligent le vent solaire à prendre la forme d'un arc lorsqu'il passe au-dessus et autour de nous.
Alors que le vent solaire passe au-dessus de la magnétosphère terrestre, il se rassemble derrière notre planète pour former une magnétotaille - un tube allongé qui contient des feuilles de plasma piégées et des lignes de champ en interaction. Sans cette enveloppe protectrice, l'atmosphère de la Terre aurait été lentement dépouillée il y a des milliards d'années, un sort que l'on croit désormais avoir frappé Mars.
Cela étant dit, le champ magnétique terrestre n'est pas exactement hermétique. Par exemple, aux pôles de notre planète, les lignes de champ sont ouvertes, ce qui permet aux particules solaires de pénétrer et de remplir notre magnétosphère de particules énergétiques. C'est ce processus qui est responsable des aurores boréales et des aurores australes (alias les aurores boréales et australes).
Dans le même temps, les particules de la haute atmosphère terrestre (l'ionosphère) peuvent s'échapper de la même manière, remontant à travers les pôles et se perdant dans l'espace. Bien que nous en ayons beaucoup appris sur les champs magnétiques de la Terre et sur la façon dont le plasma se forme grâce à son interaction avec diverses particules, beaucoup de choses sur le processus dans son ensemble n’ont pas été claires jusqu’à tout récemment.
Comme Arnaud Masson, scientifique adjoint du projet de l'ESA pour la mission Cluster, l'a déclaré dans un communiqué de presse de l'ESA:
“La question du transport du plasma et de la perte atmosphérique est pertinente pour les planètes et les étoiles, et c'est un sujet incroyablement fascinant et important. Comprendre comment la matière atmosphérique s'échappe est crucial pour comprendre comment la vie peut se développer sur une planète. L’interaction entre les matériaux entrants et sortants dans la magnétosphère terrestre est un sujet brûlant en ce moment; D'où viennent exactement ces trucs? Comment est-il entré dans notre parcelle d'espace?“
Étant donné que notre atmosphère contient 5 quadrillions de tonnes de matière (soit 5 x 1015, soit 5 000 000 milliards de tonnes), une perte de 90 tonnes par jour ne représente pas beaucoup. Cependant, ce nombre n'inclut pas la masse des «ions froids» qui sont régulièrement ajoutés. Ce terme est généralement utilisé pour décrire les ions hydrogène que nous savons maintenant être perdus régulièrement dans la magnétosphère (avec les ions oxygène et hélium).
Étant donné que l'hydrogène nécessite moins d'énergie pour s'échapper de notre atmosphère, les ions qui sont créés une fois que cet hydrogène fait partie de la plasmasphère ont également une faible énergie. En conséquence, ils ont été très difficiles à détecter dans le passé. De plus, les scientifiques ne connaissent ce flux d'ions oxygène, hydrogène et hélium - qui proviennent des régions polaires de la Terre et reconstituent le plasma dans la magnétosphère - depuis quelques décennies.
Avant cela, les scientifiques pensaient que les particules solaires seules étaient responsables du plasma dans la magnétosphère terrestre. Mais ces dernières années, ils ont compris que deux autres sources contribuent à la plasmasphère. Les premiers sont des «panaches» sporadiques de plasma qui se développent dans la plasmasphère et se déplacent vers l'extérieur vers le bord de la magnétosphère, où ils interagissent avec le plasma du vent solaire venant dans l'autre sens.
L'autre source? La fuite atmosphérique susmentionnée. Alors que celui-ci est constitué d'ions abondants d'oxygène, d'hélium et d'hydrogène, les ions d'hydrogène froids semblent jouer le rôle le plus important. Non seulement ils constituent une quantité importante de matière perdue dans l'espace et peuvent jouer un rôle clé dans la formation de notre environnement magnétique. De plus, la plupart des satellites actuellement en orbite autour de la Terre sont incapables de détecter les ions froids ajoutés au mélange, ce que Cluster est capable de faire.
En 2009 et en 2013, les sondes Cluster ont pu caractériser leur force, ainsi que celle d'autres sources de plasma ajoutées à la magnétosphère terrestre. Lorsque seuls les ions froids sont pris en compte, la quantité d'atmosphère perdue dans l'espace s'élève à plusieurs milliers de tonnes par an. En bref, c'est comme perdre des chaussettes. Ce n'est pas grave, mais vous aimeriez savoir où ils vont, non?
Cela a été un autre domaine d'intérêt pour la mission du Cluster qui, depuis une décennie et demie, tente d'explorer comment ces ions sont perdus, d'où ils viennent, etc. Comme l’a dit Philippe Escoubet, Project Scientist de l’ESA pour la mission Cluster:
“Essentiellement, nous devons comprendre comment le plasma froid se retrouve à la magnétopause. Il y a plusieurs aspects différents à cela; nous avons besoin de connaître les processus impliqués dans son transport là-bas, comment ces processus dépendent du vent solaire dynamique et des conditions de la magnétosphère, et d'où le plasma vient en premier lieu - provient-il de l'ionosphère, de la plasmasphère, ou ailleurs?“
Les raisons de comprendre cela sont claires. Les particules de haute énergie, généralement sous forme de fusées solaires, peuvent constituer une menace pour la technologie spatiale. De plus, comprendre comment notre atmosphère interagit avec le vent solaire est également utile en ce qui concerne l'exploration spatiale en général. Considérez nos efforts actuels pour localiser la vie au-delà de notre propre planète dans le système solaire. S'il y a une chose que des décennies de missions sur les planètes voisines nous ont appris, c'est que l'atmosphère et l'environnement magnétique d'une planète sont cruciaux pour déterminer l'habitabilité.
À proximité de la Terre, il y a deux exemples de cela: Mars, qui a une atmosphère mince et est trop froide; et Vénus, dont l'atmosphère est trop dense et beaucoup trop chaude. Dans le système solaire extérieur, la lune Titan de Saturne continue de nous intriguer, principalement en raison de l'atmosphère inhabituelle. En tant que seul corps avec une atmosphère riche en azote en plus de la Terre, c'est également la seule planète connue où le transfert de liquide a lieu entre la surface et l'atmosphère - bien qu'avec des produits pétrochimiques au lieu de l'eau.
De plus, la mission Juno de la NASA passera les deux prochaines années à explorer le champ magnétique et l'atmosphère de Jupiter. Ces informations nous en diront beaucoup sur la plus grande planète du système solaire, mais elles devraient également éclairer la formation planétaire de l'histoire dans le système solaire.
Au cours des quinze dernières années, Cluster a pu en dire beaucoup aux astronomes sur la façon dont l’atmosphère de la Terre interagit avec le vent solaire et a aidé à explorer les phénomènes de champ magnétique que nous commençons à peine à comprendre. Et bien qu'il y ait encore beaucoup à apprendre, les scientifiques conviennent que ce qui a été découvert jusqu'à présent aurait été impossible sans une mission comme Cluster.
