La terrella de Birkeland

 Kristian Birkeland, physicien norvégien, fit une expérience en 1895, en s'inspirant de Gilbert, il prit une terrella, la plaça dans une chambre à vide faite en verre.  Il bombarda cette terrella par un faisceau d'électrons et observa leur passage par la décharge que ces électrons produisaient dans l'air résiduel resté dans la chambre à vide. La décharge suivait les lignes du champ magnétique (lignes de force) et convergeait près des pôles magnétiques de la terrella. 

La terrella de Birkeland

Est-ce une preuve que les aurores polaires se produisent à distance limitée (càd aux hautes latitudes) autour des pôles magnétiques? 

C'était, en effet, bien exact.  Le mathématicien français  Henri Poincaré, et 50 ans plus tard, avec plus de détails le suédois Hannes Alfvén--analysèrent le mouvement de ces électrons, et conclurent qu'ils étaient guidés par des lignes de champ magnétique, comme des perles sont enfilées sur un fil.  De son expérience avec la terrella, Birkeland avait deviné que l'aurore était causée par des électrons en provenance du Soleil, guidés par les lignes du champ magnétique vers les pôles terrestres.  Ces électrons produisaient alors une décharge, lorsqu'ils atteignaient la haute atmosphère.  En fait il s'avèra que tout était bien pensé sauf que le soleil n'était pas la source des électrons.. 

Le courant annulaire 

La théorie d'Alfvén suggérait comment ce courant pouvait être transporté.  Les particules chargées, telles que les ions et les électrons, n'étaient pas seulement  guidées par les lignes de champ magnétique mais, en suivant leur trajectoire le long de ces lignes (plus précisément en spiralant autour d'elles), ces particules étaient aussi repoussées (d'une certaine manière) loin des régions à champ magnétique plus intense. 

mouvement d'une particule piegée

Des lignes de champ terrestre, comme un barreau aimanté, s'étendent du voisinage d'un pôle à l'autre, et la force magnétique de chaque ligne est plus faible à mi-chemin entre les "points d'ancrage" (pôles magnétiques terrestres)de ces lignes sur la terre, autrement dit, dans la partie où la ligne est la plus éloignée de la Terre. Les ions et les électrons peuvent être piégés dans ce champ faible, tout en oscillant, ils se retournent chaque fois qu'ils essayent de glisser dans le champ plus intense qui existe plus près de la Terre. 

On peut démontrer que, par des processus secondaires, de telles particules changent lentement leur attache d'une ligne de champ à sa voisine directe,  pour finalement faire le tour du globe dans le sens des aiguilles d'une montre (vue du grand nord)) pour les ions, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour les électrons négatifs.  Cependant, tout électron  se déplace vers l'est, et tout ion positif se déplace dans le sens contraire, un courant électrique est alors créé!  C'est ainsi que S.F. Singer, en 1957, proposa d'expliquer l'existence d'un courant annulaire pendant les orages magnétiques.. 

Les ceintures de radiation

Les regions de la magnétosphère

C'est à partir de cette queue que plusieurs phénomènes actifs de la magnétosphère (partie de notre météo spatiale) naissent.  Le plus intéressant de ces phénomènes se trouve être une couche épaisse connue sous le nom de feuillet de plasma (en anglais: plasma sheet), située dans la région de faible champ magnétique, qui est prise en sandwich entre deux faisceaux de ligne de champ magnétique.  Un faisceau , au nord de l'équateur, est fait de lignes de champ qui conduisent au voisinage du pôle nord magnétique, l'autre faisceau est sa réplique au sud de l'équateur, de lignes de champ dirigées hors du pôle sud. Le feuillet de plasma se trouve là où les particules du courant annulaire naissent, et où les "sous-orages" poussent les particules vers le sol et créent des spectacles d'aurores brillantes. 

L'aurore polaire

Dans l'espace, ces mêmes courants circulent très facilement le long des lignes de champ magnétique parce que les particules qui les transportent (pour la plupart des électrons) ont tendance à rester attachées à ces lignes.  Certains courants circulent de l'espace ves la Terre, d'autres de la Terre vers l'espace, près de la terre leur circuit est complété par une couche, bonne conductrice d'électricité, située dans la haute atmosphère à environ 125 kms d'altitude, que l'on nomme la couche -E de l'ionosphère. Les courants n'atteignent pas le sol car l'air dans les couches basses est un très bon isolateur électrique. 

Dynamo du vent solaire

Bien sûr, les courants électriques ont besoin de circuler dans un circuit fermé, mais nous ignorons, à ce jour, où et comment ces circuits se ferment.  Pour certains de ces courants,  il est dit (sans doute une simplification) que les extrêmités éloignées des lignes de champ qui les transportent, plongent dans le vent solaire (qui peut conduire l'électricité),  en quelque sorte à la manière des fils que Faraday plongea dans l'eau sous le pont de Waterloo (voir la section du site sur les dynamos).  Ceci générerait une dynamo puisant son énergie à partir du flot du vent solaire.

L'aurore polaire est créée à partir des électrons qui se déplacent vers le sol alors qu'ils transportent ce courant.. Ils gagnent de la vitesse grâce à la force électromotrice et après avoir atteint l'atmosphère, les électrons rentrent en collision avec des atomes d'oxygène ou d'azote, ces derniers excités, émettent de la lumière. Une aurore typique émet une lumière verte, caractéristique de l'oxygène. 
 
 

Prochain arrêt:   Le magnétisme planétaire