Des ‘macroturbulences’ aux ‘microturbulences’ observées par Cluster

L'existence de turbulences en vortex à une échelle aussi réduite était prédite par des modèles mathématiques, mais n'a jamais auparavant été observée dans l'espace. Ces résultats ne sont pas seulement importants pour la physique spatiale, mais également pour d'autres domaines, tels que la recherche sur la fusion nucléaire.

Cette découverte a été réalisée le 9 mars 2002 par les quatre satellites Cluster volant en formation à 100 kilomètres les uns des autres, alors qu'ils traversaient le ‘cornet magnétique’ nord. Les cornets magnétiques correspondent aux régions polaires au niveau desquelles les lignes du champ magnétique entourant la Terre forment un entonnoir magnétique.

Ces cornets polaires sont les deux régions importantes de la magnétosphère terrestre au niveau desquelles le ‘vent solaire’ (flux constant de particules chargées généré par le soleil et traversant le système solaire entier) peut accéder directement à la couche supérieure de l'atmosphère terrestre (ionosphère).

De grandes quantités de plasma (gaz de particules chargées) et d'énergie sont transportées au travers de ces régions et d'autres zones ‘accessibles’ pour pénétrer dans la magnétosphère, c'est-à-dire la protection naturelle de la Terre. Moins d'un pour cent de toute l'énergie transportée par le vent solaire et atteignant la magnétosphère parvient à pénétrer dans cette dernière, mais l'impact sur les systèmes terrestres (tels que les réseaux de communication et les lignes électriques) est néanmoins important.

Le matériel solaire pénétrant génère des turbulences au niveau du plasma qui enveloppe la Terre, à l'instar des fluides mais avec des forces plus complexes. De telles turbulences sont générées, par exemple, dans les zones de transition entre les couches de plasma de densités et températures différentes, mais leurs mécanismes de formation ne sont pas complètement connus.

Les turbulences existent à différentes échelles, depuis des milliers de kilomètres de large jusqu'à quelques kilomètres de large. En 2004, lors de mesures multi-points in situ, les quatre satellites Cluster ont rapporté l'existence de turbulences à échelle importante (jusqu'à 40 000 kilomètres de large) sur le flanc de la ‘magnétopause’ (limite entre la magnétosphère et l'espace libre). Cette nouvelle découverte de ‘microturbulences’, avec des vortex de 100 kilomètres de large seulement, est une première dans le domaine de l'étude du plasma enveloppant la Terre.

Une telle découverte permet aux scientifiques de faire le lien entre les turbulences à petite et à grande échelles, et de tenter de comprendre leur formation et leurs connexions. Par exemple, quels sont les mécanismes de base permettant le création et le développement de turbulences ? Jusqu'à quel point les vortex contribuent-ils au transport de masse et d'énergie via les couches limites ? Les petits vortex sont-ils nécessaires à la formation des grands vortex ? Les grands vortex créent-ils toute une série de vortex d'ampleur inférieure par dissipation de leur énergie ?

En tentant d'apporter des réponses à ces questions, Cluster révolutionne notre compréhension des manières et mécanismes selon lesquels l'activité solaire affecte la Terre. Cluster est un outil de diagnostic sans précédent pour la réalisation de la première carte tridimensionnelle de l'environnement proche de la Terre, et ses observations simultanées par des engins spatiaux multiples sont uniques en leur genre.

L'étude par Cluster des turbulences au niveau du plasma terrestre contribue également aux avancées de théories fondamentales sur le plasma. Ceci ne s'avère pas seulement important dans le domaine de l'astrophysique, mais également pour la manipulation du plasma dans les laboratoires sur Terre en raison des énergies importantes impliquées. Ceci est particulièrement utile pour la recherche sur la fusion nucléaire.

Remarque à l'attention des rédacteurs

Ces résultats ont été publiés dans le numéro du 11 août du journal scientifique Nature. Leurs auteurs sont les personnes suivantes : D. Sundkvist (CNRS, Orléans, France/Institut suédois de physique spatiale, Uppsala, Suède) ; V. Krasnoselskikh (CNRS, Orléans, France) ; P.K. Shukla (Institut für Theoretische Physik IV, Bochum, Allemagne) ; A. Vaivads, M. Andre, S. Buchert (Institut suédois de physique spatiale, Uppsala, Suède) ; H. Reme (CESR, Toulouse, France).

La découverte des vortex géants mentionnés a été publiée dans le numéro du 12 août 2004 de Nature, dans un article écrit par H. Hasegawa, et al.

Pour en savoir plus :

David Sundkvist,
Auteur principal des résultats, Institut suédois de physique spatiale (IRF), Uppsala, Suède
E-mail : david.sundkvist@irfu.se

Philippe Escoubet,
ESA, responsable scientifique du projet Cluster
E-mail : philippe.escoubet @ esa.int