Effet miroir, piégeage des particules   (5/6)

Ceintures de piégeage

Les planètes sont donc entourées de particules chargées, d'énergies assez variées (de quelques eV a quelques MeV, voire plus), oscillant entre des points miroir conjugués et dérivant (lentement) azimutalement (Figure ??). Elles constituent une sorte de ceinture de particules piégées tout autour de la planète, centrée autour des basses latitudes.
Les particules piégées de haute énergie (quelques MeV ou plus) qui évoluent autour de la Terre ont été découvertes par Mr Van Allen et son équipe, lors d'une des premières missions satellitaires américaines à bord de laquelle avait été embarqué un compteur Geiger. La ceinture de particules énergétiques piégées porte donc le nom de ceintures de Van Allen. On sait maintenant que d'autres particules de moindre énergie sont également piégées le long des lignes de champ fermées. Mais on réserve le terme de ceintures de piégeage pour les particules de haute énergie, dont l'origine et les conséquences sur les environnement planétaires sont assez différents.
Les ceintures de piégeage de Jupiter sont observées, notament grâce aux rayonnement synchrotron des particules de hautes énergies qui y sont piégées. La modélisation des ceintures de piégeage de Jupiter est plus complexe que dans le cas de la Terre car le champ magnétique de cette planète est plus complexe, et mal connu, et parce que les nombreux satellites de Jupiter interagissent avec les ceintures de piégeage, en capturant les particules qui les rencontrent.
Les ceintures de piégeage de la Terre et de Jupiter contiennent des particules dont les énergie sont très nettement relativistes. En toute rigueur, on ne peut pas leur appliquer la théorie des centres guides présentée dans ce cours, car celle-ci est non relativiste. Néanmoins, il existe une théorie relativiste des centres guides, et on y retrouve un grand nombre des résultats présentés ici.
Notons que les ceintures de piégeage de la Terre, qui s'étendent jusqu'à 5 ou 6 rayons terrestres sont bien en deçà de l'orbite lunaire qui est à 60 rayons terrestres.
Il y a plusieurs sources qui alimentent les ceintures de piégeage en particules de haute énergie (jusqu'au GeV). Parmi elles, il y a la capture de rayons cosmiques. Ceux-ci ne peuvent être capturés directement : le champ magnétique des planètes est assez fort pour dévier leur trajectoire, mais pas pour les capturer. Un des processus est l'arrivée d'un rayon cosmique dans l'atmosphère. Il s'ensuit une réaction nucléaire qui produit un neutron assez rapide qui part en ligne droite. Supposons qu'il partent vers l'espace. En cours de route, il se désitègre et produit un proton de haute énergie et un électron. Ces particules sont ionisées, et si elles sont produites assez près de la planète, la où le champ magnétique a des lignes de champ fermées, ces particules sont piégées.
Les particules des ceintures de piégeages s'échappent principalement si leur angle d'attaque se réduit, ce qui peut provoquer leur précipitation dans l'ionosphère. Les phénomènes capables de modifier l'angle d'attaque de ces particules sont complexes. Ils peuvent être liés à une reconfiguration du champ magnétique ambiant sous l'effet de variations du vent solaire (orages magnétiques par exemple), ou à des interactions avec des ondes.
Les particules des ceintures de radiation précipitées vers la planète ne sont pas à l'origine des aurores polaires. En effet, les aurores polaires se produisent essentiellement du coté nuit, à des latitudes magnétiques de l'ordre de 70 degrés. Elles sont dues à des particules dont l'énergie est de l'ordre de quelques kEV (cela a été mesuré in situ par des sondes spatiales en orbite polaire, et par des fusées d'exploration ionosphérique). Les régions aurorales ont des lignes de champ magnétiques en grande parties ouvertes. Les particules précipitées hors des ceintures de radiation heurtent l'ionosphère à de plus basses latitudes, elles correspondent, par l'essence même des ceintures de piégeage, à des lignes de champ fermées. Leurs énergies sont supérieures au kEV de plusieurs ordre de grandeur. Par contre, on a pu mesurer des émissions de rayons X émis dans l'ionosphère lors de la précipitation de particules des ceintures de piégeage. Il faut aussi noter que les flux de particules précipités hors des ceintures de piégeage sont considérablement plus faible que les flux de particules magnétosphériques causant les aurores polaires.
Ce qui sème la confusion entre les particules des ceintures de piégeage (typiquement de haute énergie, quelques MeV ou quelques GeV, dont l'origine est surtout due à des rayons cosmiques), et les particules de la magnétosphère (quelques keV, venant du vent solaire et de l'ionosphère), c'est que les ceintures de piégeage sont dans la magnétosphère, donc mélangées à des particules magnétosphériques, et que toutes ces particules sont capable de subir des mouvement de rebond si elles se trouvent le long de lignes de champ magnétique fermées.