Comment se forment les orages magnétiques terrestres?
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Un orage magnétique, aussi appelé tempête magnétique ou encore tempête géomagnétique, est un phénomène lié aux variations de l'activité solaire qui aboutit à des fluctuations brusques et intenses du magnétisme terrestre. Ces fluctuations peuvent se répercuter dans l'ionosphère terrestre, créant par exemple, des aurores polaires.
Orage magnétique
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Les évènements de reconnexion sont analogues aux orages magnétiques dans la magnétosphère terrestre. La différence semble être leurs sources d'énergie respectives : les sous-orages terrestres nécessitent un stockage de l'énergie du vent solaire dans la magnétosphère suivi de sa libération à travers un événement de reconnexion dans la feuille de courant neutre de la queue. Celui-ci crée également un plasmoïde qui descend le long de la queue. A contrario, dans la magnétosphère de Jupiter, l'énergie de rotation qui est stockée dans le magnéto-disque est libérée lorsqu'un plasmoïde s'en détache.
Magnétosphère de Jupiter
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Le vent solaire est responsable de variations du champ mesuré, par les courants électriques qu'il engendre dans l'ionosphère et la magnétosphère. En fonction de l'activité solaire, les orages magnétiques peuvent perturber le champ magnétique terrestre en faisant varier l'intensité de la composante horizontale B. De plus, les vents solaires déforment les lignes de champ du champ magnétique terrestre. Côté jour, elles sont aplaties vers la Terre, et du côté nuit, elles s'écartent sur une dizaine de rayons terrestres.
Champ magnétique terrestre
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À moins de quelques milliers de kilomètres de la surface terrestre se trouve une zone annulaire (repère Zp) placée dans le plan de l'équateur magnétique dans laquelle des particules électrisées, protons et électrons provenant du vent solaire, peuvent se retrouver "piégées" par le champ magnétique. C'est là que se forment les ceintures de Van Allen ou "ceintures de radiations".
Magnétosphère
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Les orages se forment lorsque les parcelles d'air s'élèvent dans l'atmosphère pour former des nuages de type cumulonimbus dont le sommet est formé de cristaux de glace. Ce phénomène, appelé convection profonde, se produit lorsque la parcelle d'air saturée s'élève d'elle-même car devenant de plus en plus chaude par rapport à l'air environnant. L'atmosphère terrestre est généralement plus chaude au voisinage de la surface terrestre qu'en altitude dans la troposphère. Le taux de variation de la température avec l'altitude est appelé gradient thermique. Si celui-ci est supérieur au gradient thermique saturé alors la parcelle mise en mouvement vers le haut va s'accélérer car cette parcelle sera de plus en plus chaude et donc de moins en moins dense par rapport à l'air environnant.
Énergie potentielle de convection disponible
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Le champ magnétique forme la magnétosphère qui dévie les particules du vent solaire et de six à dix fois le rayon terrestre en direction du Soleil et jusqu'à soixante fois le rayon terrestre dans le sens inverse. La collision entre le champ magnétique et le vent solaire forme les ceintures de Van Allen, une paire de régions toroïdales contenant un grand nombre de particules énergétiques ionisées. Lorsque, à l'occasion d'arrivées de plasma solaire plus intenses que le vent solaire moyen, par exemple lors d'événements d'éjections de masse coronale vers la Terre, la déformation de la géométrie de la magnétosphère sous l'impact de ce flux solaire permet le processus de reconnexion magnétique. Une partie des électrons de ce plasma solaire entre dans l'atmosphère terrestre en une ceinture autour aux pôles magnétiques : il se forme alors des aurores boréales.
Terre
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Les orages se forment quand l'air dans une couche de l'atmosphère est très instable. Une parcelle d'air soulevé à la base de cette couche est alors plus chaude que l'environnement et subit une poussée d'Archimède vers le haut. En s'élevant, sa température diminue par détente adiabatique et lorsque l'humidité relative de vapeur d'eau qu'elle contient arrive à saturation, il y a formation du nuage convectif. Pour former un orage il faut que cette couche soit très grande et que la température au sommet du nuage soit sous les .
Météorologie de la montagne
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Certaines perturbations sont plus aisément prévisibles. Ainsi, le vent solaire rapide, qui est émis par des trous coronaux du Soleil (régions où les lignes de champ magnétique solaire s’ouvrent vers l’espace interplanétaire), est lui aussi la cause d’orages magnétiques. Or le Soleil tourne sur lui-même en 27 jours environ, si bien que ces perturbations viennent balayer la Terre à des intervalles réguliers. On parle alors d’orages récurrents. Ces orages sont généralement plus faibles que ceux produits par les CME, mais, en moyenne, les dégâts causés aux satellites (notamment via des particules énergétiques) sont tout aussi importants.
Météorologie de l'espace
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Les électrons relativistes sont créés par les orages magnétiques eux-mêmes générés au sein du champ magnétique terrestre par le vent solaire. Le satellite ERG doit observer à la fois les particules chargées électriquement sur une large gamme d'énergie et les ondes de plasma sur une bande de fréquence étendue. Le satellite emporte, pour la première fois sur un engin spatial, un instrument permettant d'observer l'échange d'énergie entre les particules et le plasma.
Exploration of Energization and Radiation in Geospace
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En 1931, Sydney Chapman et Vincenzo C. A. Ferraro publient un article, "A New Theory of Magnetic Storms", qui tente d'expliquer le phénomène des orages magnétiques. Ils y argumentent que lorsque le Soleil entre en éruption, il émet également un "nuage de plasma". Ce plasma voyage à une vitesse d'environ et atteint la Terre en un peu plus de deux jours. Le nuage compresse alors le champ magnétique terrestre et par conséquent augmente le champ magnétique à la surface de la Terre. La surveillance de l'activité solaire peut aider à prédire certaines perturbations dans la propagation des ondes dont les conséquences peuvent être graves pour les télécommunications, ainsi que l'incidence de ces orages sur la distribution de l'énergie électrique. En 1965, une énorme panne de courant avait plongé les habitants du continent nord-américain dans l’obscurité, soit 30 millions de personnes sur . Lors de l'éruption solaire de 1989, c’est une panne de même origine qui a touché 6 millions de personnes au Québec ; de plus les aurores polaires produites par cet orage furent visibles jusqu'au Texas.
Orage magnétique