Loi de conservation des lignes de force du champ magnétique

Quand un vaisseau spatial s'arrache à l'influence du champ magnétique terrestre, il trouve dans l'espace interplanétaire, un faible champ magnétique . Mais ce champ se prolonge sur des distances énormes , et peut avoir des effets importants. D'après la direction observée nous pensons que ce champ vient du soleil, et que les lignes magnétiques sont à la traîne du vent solaire. .

Nous allons expliquer ce processus de "traîne" nous l'utiliserons pour obtenir la forme prévisible des lignes de champ.

Mais si le champ magnétique est faible, c'est alors le plasma qui domine et repousse les lignes de champ à l'extérieur. La règle, bien fiable, édicte que lorsque deux ou plusieurs ions sont au départ sur une même ligne de champ, ils y restent fidèlement S'ils se déplacent ensuite, c'est leur ligne de champ qui se déforme.

(Pour les connaisseurs en physique de l'espace, ce procédé de déformation fait aussi intervenir les champs électriques.)

A l'aide de cette "loi de conservation des lignes de champ" nous allons maintenant calculer la forme des lignes interplanétaires du champ magnétique.

1. . En bas et au centre du petit côté d'une feuille de papier, tracez un petit cercle, d'environ un pouce de rayon : il représentera le soleil vu du dessus de son pôle nord. Le soleil tourne entièrement en 27 jours et donc en un jour de :
   360°/27 = 13.3°

   A partir du centre du soleil tracez une perpendiculaire jusqu'à peu près en haut. Avec un rapporteur et une règle, tracez de chaque côté de cette ligne trois "rayons supplémentaires, formant un angle de 13.3° par rapport à ses voisins.

(Autre méthode : considérons le centre du soleil à l'origine d'un système de coordonnées cartésiennes. Dessinez au crayon l'axe des abscisses parallèlement au bas de la page et celui des ordonnées à la verticale 4 pouces au-dessus de l'axe des x, tracez sans appuyer une parallèle correspondant à y = 4
    sur cette ligne repérez les distances 15/16", 2" et 3 3/8"puis tracez les rayons partant du centre du soleil en passant par ces points et en les prolongeant jusqu'à 1/2" des bords latéraux de la feuille ou 1"du bord supérieur
    En centimètres, le rayon du soleil est de 1 centimètre (diamètre =2cm), la parallèle à x est à y=10 centimètre, et les repères qui y sont tracés sont approximativement à 23.7, 50.2 et 83.9 millimètres de l'axe des ordonnées. Prolongez les lignes jusqu'à moins de 1 centimètre des côtés ou 3 centimètres du haut.)

2. Sur chacun des rayons, marquez le point de croisement avec la surface du soleil, et ajoutez des intervalles en mettant un point tous les 1.5 pouces. Chaque intervalle représente le trajet journalier du vent solaire et est un " relais ".

   [D'accord, (Le soleil est en fait dessiné à une échelle beaucoup trop grande, mais nous négligerons cette approximation.) D'ailleurs, le vent solaire ne commence à se déplacer qu'à partir d'une certaine distance de la surface du soleil.]

   Le champ magnétique relatif à tous ces points est assez faible pour être canalisé et déformé par le vent solaire, tandis que ce dernier maintient son propre mouvement rectiligne vers l'extérieur. Nous allons maintenant calculer la forme de ces lignes.

   (Pour gagner du temps, vous pouvez télécharger le schéma Ici. (ou Ici;avec une meilleure résolution ) : ces versions apparaîtrons identiques sur votre écran, dont la résolution est limitée à 72 dpi, mais vous pourrez copier la seconde dans un programme graphique de résolution plus élevée.)

3. Le soleil est vu du nord, et tourne dans le même sens que la terre : faut il tracer sa rotation dans le sens des aiguilles d'une montre, ou dans le sens contraire ?
       Décidez le vous-même et écrivez le, sans tricher d'un coup d'œil !

Repérage des rayons

4. numérotez 1 le point d'émergence de la ligne la plus à droite Considérons par exemple 7 ions sur ce point, captifs sur une même ligne du champ magnétique. Admettons de même que chaque jour de la semaine à venir, un de ces 7 ions rejoindra le vent solaire. Le premier jour, ils sont cependant tous au point de départ, mais un seul s'évade avec le vent.

5. Reportez vous au "rayon" immédiatement à gauche. Son origine représente le jour 2 puisque le soleil tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre (oui !). Les ions sont maintenant rendus à ce point, sauf celui qui est parti la veille et qui s'étant déplacé directement sur son rayon est arrivé au "premier relais," le premier point du rayon précédent. En outre, un nouvel ion est tout juste sur le point de départ. Marquez ces deux points du numéro 2.

   Le jour 3, le premier ion arrive au "deuxième relais" de son rayon et celui qui est parti le jour 2 au premier relais du sien. Tous les autres ont migré à la base du 3ème rayon, en suivant la rotation du soleil , et un nouvel ion est au départ. Marquez chacun de ces trois points du numéro 3.

   Le jour 4, le soleil a encore tourné d'un rayon et 4 ions sont à la base du 4ème rayon, dont celui qui est en partance. Les trois autres sont respectivement aux 3ème, 2ème et 1èr "relais." Marquez chacun ces quatre points du numéro 4.

   Et ainsi de suite, jour après jour. Les points marqués 5, par exemple, indique là où sont les particules le 5ème jour. évidemment, vous vous ne pouvez plus marquer les ions qui ont dépassé les limites du papier.

   Sur chaque rayon est maintenant indiqué le numéro du jour de "sa" particule.S'il reste des points non marqués, vous pouvez extrapoler et prolonger la notation (8, 9...), aux jours pour lesquels le départ d'aucune particule n'est prévu

Lignes de champ en spirale

6. Reliez maintenant, de préférence en couleur rouge, en tout cas différente de celle du schéma tous les points portant le numéro 2, et ceux des numéros 3, 4, 5, 6 ou 7, et peut-être aussi les 8, 9 et 10.Ceux qui sont marqués 6 montrent la situation des ions après 5 jours environ le temps mis par le premier pour atteindre l'orbite de la terre. Puisqu'au départ ils étaient regroupés sur une même ligne de champ magnétique, ils le restent toujours 5 jours après. La ligne tracée donne donc la forme prévisible d'une ligne de champ magnétique interplanétaire. .

   En réalité, les lignes se courbent progressivement, mais même sur cet assemblage de droites formant un angle entre elles, il apparaît clairement que la forme est une spirale. Ceci est conforme aux observations au niveau de l'orbite terrestre, où le champ magnétique interplanétaire moyen fait un angle de 45° avec la direction du vent solaire, comme le montre le schéma. Autrement dit, après un parcours de 5 jours, à 150.000.000 kilomètres du soleil, les lignes de champ magnétique "gardent en mémoire" la rotation du soleil.

7. Ils "la gardent en mémoire" pendant des mois, même quand le vent solaire atteint les orbites de Saturne et d'Uranus. Si vous prolongez cet exercice graphique sur de grandes distances, vous constaterez que la spirale devient de plus en plus serrée jusqu'à ce que la direction des champs soit pratiquement circulaire autour du soleil. La sonde d'espace Voyager 2 a démontré que cela était effectivement vrai.

On a également noté que plus le soleil est éloigné, plus la forme spirale des lignes interplanétaires du champ magnétique se resserre, prenant quasiment une forme de cercle.

Ces deux points ont été bien illustrés par les phénomènes qui ont suivi l'intense activité solaire d'Avril-Mai 1998, rapportés par Robert Decker ( Laboratoire de physique appliquée de l'université Johns Hopkins , Maryland). Cette activité a perturbé le vent solaire, avec un écoulement de protons d'énergies très élevées, environ 1000 fois supérieures à la norme. Ils ont été observés par un certain nombre de vaisseaux spatiaux -ACE au point L1 de lagrange (près de la terre, de la distance du soleil environ 1 AU), par Ulysses (5 AU), et parVoyagers 1-2--Voyager 2 à 56 AU et Voyager 1 à 72 AU.

La perturbation du vent solaire a atteint Voyager 1 environ en 7.5 mois, se propageant en ligne directe sans avoir perdu sa vitesse d'origine. Les protons, relativement peu nombreux, mais extrêmement rapides se sont développés en spirale en suivant les lignes de champ. Ils ont été observés par Voyager 1 au bout de 6 mois , soit 1.5 mois avant l'arrivée de la perturbation du vent solaire, et le Dr. Decker a calculé que leur chemin " spiralé " les a fait tourner 10 fois autour du soleil, et parcourir une distance totale d'environ 2000 AU.

Above is background material for archival reference only.

NASA Official: Adam Szabo

Curators: Robert Candey, Alex Young, Tamara Kovalick

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