Le champ magnétique Le champ magnétique d’origine externed’origine externe

Aurélie MarchaudonLPC2E

Atelier FORSTERITE, Grenoble, 22/10/2010

Plan de la présentation1. Rappels d’électromagnétisme

2. Introduction à la magnétosphèrea) La reconnexion dans la magnétosphèreb) La dynamique du plasma magnétosphérique et ionosphériquec) Les régions clés de la magnétosphèred) Les principales sources de courants

3. Méthodes de calcul des courants à partir des mesures satellites

4. Présentation des différents courants de la magnétosphère, exemples de mesure et originea) Le courant de magnétopauseb) Le courant central de queuec) Le courant annulaired) Les courants alignés au champ magnétiquee) Les courants ionosphériques : électrojets et courant Sq

5. Modèle empirique de champ magnétique externe

1. Rappels d’électromagnétisme

Rappels sur le mouvement des particules chargées dans un champ électromagnétique (1)

• Champ magnétique constant

- mouvement de giration des particules autour de l’axe du champ magnétique- sens opposé pour les électrons et les ions- mouvement hélicoïdal : si les particules ont une vitesse parallèle au champ magnétique- angle d’attaque de la particule :

avec= 0° (v┴ = 0) et = 90° (v║ = 0)

• Champ magnétique + champ électrique constants

- mouvement de giration des particules, avec une dérive dans la direction perpendiculaire aux deux champs- les ions et les électrons dérivent dans la même direction- dérive en E x B- Exemple : mouvement des particules dans le champ de convection magnétosphérique

ion

B

1tanv

v

┴

║

║

Rappels sur le mouvement des particules chargées dans un champ électromagnétique (2)

• Champ magnétique présentant une courbure :

- mouvement de giration des particules, avec une dérive dans la direction perpendiculaire au champ magnétique et à la direction de courbure- les ions et les électrons dérivent en sens opposé- dérive de courbure- Exemple : ligne de champ terrestre dipolaire

• Champ magnétique avec un gradient spatial dans la direction perpendiculaire à l’axe du champ

- mouvement de giration des particules, avec une dérive dans la direction perpendiculaire au champ magnétique et à la direction de son gradient- les ions et les électrons dérivent en sens opposé- dérive de gradient - Exemple : champ qui diminue quand on s’éloigne de la Terre

Dans le cas d’un champ magnétique dipolaire : ces deux dernières dérives s’ajoutent pour former la dérive magnétique des particules

Force centrifuge ressentie par une

particule

Champ magnétique présentant un gradient le long de son axe

• conservation du moment magnétique d’une particule :

• lorsque B augmente ou diminue le long de son axe, seul l’angle d’attaque de la particule peut varier pour assurer la conservation du moment magnétique

- Cas d’un champ magnétique convergeant :

• l’angle d’attaque de la particule augmente • sa vitesse perpendiculaire augmente au dépend de sa vitesse parallèle• au point miroir : B suffisamment intense pour que l’angle d’attaque de la particule atteigne 90° et que la particule soit réfléchie (du fait de la composante parallèle de la force de gradient de B)

Rappels sur le mouvement des particules chargées dans un champ électromagnétique (3)

2 2sin

2

mv

B

Champ magnétique symétrique avec un minimum au centre et convergeant aux deux bouts (champ dipolaire) :

- une particule sera réfléchie aux deux points miroirs et sera donc piégée le long de la ligne de champ

• un mouvement hélicoïdal autour du champ B

• un mouvement de réflexion entre les deux points miroirs d’une ligne de champ (gradient de B entre l’équateur et les pieds de la ligne)

• un mouvement de dérive autour de la Terre (gradient de B en s’éloignant de la Terre et courbure de B), opposé pour les électrons (Est) et les ions (Ouest)

En résumé : les particules subissent dans un champ magnétique dipolaire (cas de la Terre)

2. Introduction à la magnétosphère

La magnétosphère terrestre façonnée par le vent solaire

Plan xOz contient l’axe du dipôle magnétique terrestre

Xaxe Terre-Soleil

Y axe Matin-Soir

axe Sud-Nord Z

O Terre

Repère global GSM (X,Y,Z) Géocentrique Solaire Magnétosphérique

Repère magnétique ionosphérique (latitude magnétique et temps

magnétique local)

Les principaux repères de travail

60°

70°

00MLT

12MLT

18MLT06MLT

Soleil

Vue du pôle nord magnétique depuis le dessus

Processus de reconnexion à la magnétopause :concepts de magnétosphère fermée et ouverte (1961)

Concept de magnétosphère fermée

• Axford et Hines (1961) propose que la magnétosphère est presque totalement isolée du vent solaire

• transfert de plasma et de quantité de mouvement par couplage visqueux, mais dynamique engendrée faible

Concept de magnétosphère ouverte

• Dungey (1961) évoque la reconnexion magnétique entre lignes anti-parallèles de champ magnétique terrestre et interplanétaire

• transfert aisé de plasma, d’énergie et de quantité de mouvement le long des lignes de champ depuis le vent solaire vers la magnétosphère

D’après Dungey, 1963

Plan méridienMouvement des lignes de champ (3) reconnectées (ouvertes) dans la direction anti-solaire

Processus de reconnexion : convection à grande échelle du plasma dans la magnétosphère et l’ionosphère

Reconnexion entre une ligne de champ interplanétaire (2) et une ligne de champ terrestre (1) fermée

Reconnexion inverseMouvement des

lignes de champ terrestres fermées de la queue (1) dans la direction solaire

Projection dans l’ionosphère polaire

Plan équatorial

Soleil

Formation de 2 cellules de convection

Processus de reconnexion et convection à grande échelle du plasma dans la magnétosphère (2)

Plan méridien de la

magnétosphère

Soleil

MantleXMantle

X

Polar Cusp

Polar Cusp

LLBL

X Tail Plasma Sheet

X

Processus de reconnexion : pénétration et accélération du plasma dans la magnétosphère et aurores dans l’ionosphère

Variabilité du champ magnétique externe sous l’action du vent solaire

La magnétosphère terrestre et ses régions clés

Magnétosphère interne : - région de champ magnétique dipolaire à R < 6 RE

- coexistence de 2 plasmas denses (n~10 cm-3) - un plasma froid : la plasmasphère : E~1 eV - un plasma chaud : les ceintures de radiation : E~qq keV-qq MeV

Feuillet central de plasma :- région de champ magnétique fermé à R > 6 RE

- Plasma froid E~1-10 keV et ténu n~0.1-1 cm-3

Cornets polaires :- points nuls du champ magnétique- séparent les lignes de champ fermées côté jour et ouvertes côté nuit- région ouverte sur le milieu interplanétaire- E ~ qq keV (e-) à qq 10 keV (i) et n ~ qq 10 cm-3Lobes :

- région de champ ouvert côté nuit- plasma froid : E~ qq eV et très ténu : n < 0.1 cm-3

Régions frontières : densité intermédiaire et faisceaux structurés de particules- couche limite basse latitude (à l’intérieur de la magnétopause côté jour)- manteau (à l’intérieur de la magnétopause côté nuit)- couche limite du feuillet de plasma (séparant les lobes du feuillet central de plasma côté nuit)

Ionosphère : plasma dense, froid et partiellement ionisé (donc collisionnel) – 80 < alt < 3000 km

Les différentes sources de courants magnétosphériques

Cross-Tail Current Sheet

J//-Region1

J//-Region2

3. Méthodes de calcul des courants à partir des mesures satellites

Détermination des courants alignés au champ magnétique à partir des mesures d’un satellite

Nappe de courant

y

x

vsc

Orbite du satellite

J//

A

bx

bx

avec : vn = vsc sin A

zz// eeb

Jn

xx

vt

b

y

b 111

000

1. Soustraction du champ magnétique interne de la Terre : b = Bmesuré - Bmodèle

2. Hypothèse : les courants sont distribués en nappe infinie et uniforme

3. Direction de la nappe de courant donnée par l’orientation de b

4. Intensité du courant parallèle

5. Limitation :

- la méthode n’est pas valide, si l’orbite du satellite est parallèle à la nappe de courant

A haute latitude (champ B vertical) et basse altitude : |vsc| >> |vsh|

Satellites Ørsted, Champ, FAST…

1. Estimation du courant moyen normal à la face (1,3,4) du tétraèdre :

2. Les courants normaux à 3 faces sont re-projetés dans un système de coordonnées cartésien terrestre

1BBΔBrrΔr

ΔrΔBΔrΔBΔrΔrJ

33133

344343

etavec

o

Hypothèse et condition d’utilisation :

- variation du champ linéaire entre les satellites → J est constant à l’intérieur du tétraèdre - configuration du tétraèdre la plus régulière possible

- Estimation directe de la densité de courant électrique à partir de rot(B) - Utilisation des gradients spatiaux du champ magnétique à l’intérieur du tétraèdre formé par 4 satellites (d’après Dunlop et al., 2002)

SC1 SC2

SC4

SC3

J132

J234J134

Détermination du courant à partir des mesures de 4 satellites en tétraèdre : méthode du curlomètre appliquée à Cluster

4. Différentes sources de courants dans la magnétosphère, exemples de mesure et origine

Le courant de magnétopause ou courant de Chapman-Ferraro

- Courant circulant à l’interface entre le vent solaire et la magnétosphère (Jmp)

- Direction et géométrie du courant : • Côté jour : vers l’Est, courant hémisphérique• Côté nuit : vers l’Ouest, courant cylindrique se fermant au centre de la queue (Jtail)• Entre les deux : circulation autour des points neutres (cornets polaires)

- Distances à la Terre :• Côté jour : ~10 RE

• Côté nuit : ~15 RE aux terminateurs ~ qq 100 RE dans la queue

- Courant total : ~107 A

- Effets à la surface de la Terre :• perturbation magnétique parallèle au champ magnétique terrestre et dirigé vers le Nord • augmente l’intensité du champ magnétique dans la magnétosphère et à la surface de la Terre côté jour

Vue 3D de la magnétopause(Soleil à gauche)

Y

Système de coordonnées

GSM

Mesure directe du courant de magnétopause avec Cluster

- Traversée de magnétopause (magnétosphère -> vent solaire) : rotation et décroissance du champ magnétique

- Calcul du courant de magnétopause par rot(B), grâce au tétraèdre de 4 satellites Cluster

-> Courant essentiellement dans la direction soir-matin (Jy < 0) et sous-structures dans les directions x et z

magnetopause

magnétosphère magnétogaine

D’après Haaland et al. (2004)

Cluster

Cluster

Génération du courant de magnétopause

Pour aller plus loin :

- Courant créé à l’interface entre 2 plasmas aux propriétés différentes : vent solaire (dense, faiblement magnétisé) et magnétosphère (ténu, fortement magnétisé)

- En atteignant le champ magnétique terrestre, les ions et les électrons du vent solaire sont défléchis par la force de Lorentz

- Ils parcourent un demi-rayon de giration dans des directions opposées et retournent dans le vent solaire

- Une nappe de courant électrique circulant à la frontière entre les deux milieux se crée

- Courant totalement développé : pression dynamique du vent solaire = pression magnétique à l’intérieur de la magnétosphère

- Courant beaucoup plus complexe si la reconnexion a lieu sur la magnétopause

MagnetosphereB

Emp

rge

rgi

Ele

ctro

n pa

th

Ion

path

Solar Wind

Jmp

B = 0

B

Ma

gn

eto

pa

use

Vue depuis la Terre

Le courant central de queue (cross-tail current sheet)

- Courant circulant à l’interface entre les deux lobes magnétosphériques de la queue (Jtail)

- Région du feuillet de plasma central

- Direction et géométrie du courant : • fine nappe circulant vers l’Ouest et divergeant sur la magnétopause vers le Nord et le Sud

- Distance à la Terre : >10 RE

- Courant total : 2.105 A.RE-1,

Soit, 106 A porté par chaque portion de 5 RE de la queue (longueur : 150-200 RE)

- Effets à la surface de la Terre :• perturbation magnétique parallèle au champ magnétique terrestre et dirigé vers le Sud• diminue l’intensité du champ magnétique dans la magnétosphère et à la surface de la Terre • diminution beaucoup plus forte côté nuit : asymétrie de la perturbation magnétique engendré sur la surface 2 solénoïdes collés dans

lesquels B est en sens opposé

Mesure directe du courant de queue avec Cluster

- Traversées successives du courant de queue par Cluster : caractérisées par des inversions de la composante Bx du champ magnétique

- Calcul du courant de queue par rot(B) (4 satellites Cluster en tétraèdre)

- Courant essentiellement dans les directions y et z

-> oscillations de la nappe de courant qui se propagent depuis le centre de la queue vers les flancs (v ~ qq 10 km.s-1)

Ces oscillations se produisent aussi bien en périodes agitées qu’en périodes calmes

Vue depuis la Terre

Cluster B

B

Y

Z

X

D’après Sergeev et al. (2003)

Le courant annulaire (ring current)

- Circule autour de la Terre, centré sur le plan équatorial

- Direction et géométrie du courant : vers l’Ouest et quasi-circulaire

- Distance moyenne à la Terre : 4 RE

dans la région des ceintures de radiations

- Courant total : 5.105 A (période calme) >107 A (orage magnétique)

- Effets à la surface de la Terre :

• perturbation magnétique quasi-constante parallèle à l’axe du champ magnétique, mais vers le sud • réduit l’intensité du champ magnétique à la surface de la Terre• plus le courant est intense, plus le champ à la surface diminue, c’est le cas lors des orages magnétiques

- La perturbation magnétique au centre de la Terre causée par le courant annulaire est directement proportionnelle à l’énergie totale de toutes les particules dérivantes

BTerre

Soleil

matin

soirPlan équatorial

Jring

L’indice Dst mesure essentiellement les perturbations associées au courant annulaire (+ courants de magnétopause et de queue)

Définition de l’indice Dst :

- à un instant t, Dst(t) est défini comme la moyenne de la variation des perturbations de la composante H de 4 observatoires magnétiques (ramenée à la position de l’équateur magnétique)

Caractérisation du courant annulaire par l’indice DstD

st

Variations de l’indice Dst lors d’un orage magnétique :

- Fortes décroissances liées à des intensifications du courant annulaire causée par l’injections de particules depuis la queue magnétosphérique

D’après Hanuise et al. (2006)

Mesure directe du courant annulaire avec Cluster- Plusieurs traversées successives du plan équatorial de la magnétosphère interne dans différents secteurs de temps local

- Calcul du courant annulaire par rot(B) (4 satellites Cluster en tétraèdre)

- Première mesure directe du courant annulaire

- Courant de qq 10 nA/m2 et plus intense côté minuit que côté soir

D’après Vallat et al. (2005)

Plan équatorial

Pour aller plus loin :

- courant produit par la dérive vers l’Ouest des protons et la dérive vers l’Est des électrons, injectés depuis la queue

- les électrons ont une énergie plus faible et sont rapidement perdus dans l’atmosphère-> le courant annulaire est donc essentiellement transporté par les protons

Décomposition du mouvement des ions dans un champ magnétique dipolaire :

1. Giration autour du champ magnétique local2. Mouvement de rebond entre les deux points miroirs de la ligne de champ 3. Dérive azimutale autour de la Terre

De part ces 3 mouvements, les ions occupent toutes les latitudes le long d’une ligne de champ et forment donc un tore de courant autour de la Terre

Génération du courant annulaire

en bleu : trajectoire d’un unique ion

Génération du courant annulaire partiel

Pour aller encore plus loin :Les ions en plus des 3 mouvements précédents, subissent une dérive vers le Soleil associée au champ électrique de convection dans la magnétosphère interne

Ce mouvement :- se retranche à la dérive des ions côté matin -> diminution du courant

- s’ajoute à la dérive des ions côté soir -> intensification du courant

C’est le courant annulaire partiel côté soir

Plan équatorial

BTerre

Soleil

matin

soir

Jring

trajectoire des ions dans le plan équatorial

R1R2

Les courants alignés au champ magnétique (field-aligned currents)

- Circulent le long du champ magnétique entre le plan équatorial de la magnétosphère et l’ionosphère

- 2 régions principales de courants appelées Région-2 et Région-1 (mécanismes de génération différents)

- Direction et géométrie des courants : • les 2 régions forment 2 anneaux concentriques centrés sur chaque pôle magnétique• les courants sont opposés en signe entre les 2 régions, et de part et d’autre de l’axe midi-minuit

- Courant total : qq 106 A (fn de l’activité magnétique)

- Effets à la surface de la Terre :• très faibles (car soient s’annulent entre eux, soient avec les courants ionosphériques)

70

60

80

60

12 MLT

10

8

6

4

14

16

18

20

22

Soleil

0

R1-montant

R2-descendant R2-

montant

R1-descendant

- descendant- montant

2

Pôle nord vu depuis le dessus

Rappel : détermination des courants alignés au champ magnétique à partir des mesures d’un satellite

Nappe de courant

y

x

vsc

Orbite du satellite

J//

A

bx

bx

avec : vn = vsc sin A

zz// eeb

Jn

xx

vt

b

y

b 111

000

1. Soustraction du champ magnétique interne de la Terre : b = Bmesuré - Bmodèle

2. Hypothèse : les courants sont distribués en nappe infinie et uniforme

3. Direction de la nappe de courant donnée par l’orientation de b

4. Intensité du courant parallèle

5. Limitation :

- la méthode n’est pas valide, si l’orbite du satellite est parallèle à la nappe de courant

A haute latitude (champ B vertical) et basse altitude : |vsc| >> |vsh|

Satellites Ørsted, Champ, FAST…

Exemple de mesure directe des courants alignés avec CHAMP

R2 R1 R1 R2

montant

descendant

R1R2 R2R1

Soleil1200 MLT

Sat

A grande échelle :

- Observation des principales grandes régions de courants parallèles (Région-1 et -2)- Etude statistique pour étudier l’intensité et l’extension en latitude de ces régions, en fn de l’activité magnétique, du vent solaire…

A petite et moyenne échelle :

- Existence de sous-structures plus ou moins fines (double nappe de courant, vortex…)- Etude de ces structures pour déterminer leur origine dans la magnétosphère (reconnexion transitoire sur la magnétopause ou dans la queue magnétosphérique, instabilités…)

Génération des courants alignés de Région-1

Pour aller plus loin :

- Couche frontière (magnétopause) : • plasma transporté côté nuit par interaction visqueuse et reconnexion (entraînement du vent solaire) • force de Lorentz : électrons défléchis côté matin et ions côté soir• génération d’un champ électrique soir -> matin

- Magnétosphère interne : • Ecoulement retour avec plasma transporté côté jour• force de Lorentz : électrons défléchis côté soir et ions côté matin• génération d’un champ électrique matin -> soir

- Lignes de champ magnétique parfaitement conductrices : le champ électrique magnétosphérique se projette dans l’ionosphère

- Le champ électrique génère un courant de Pedersen dans l’ionosphère (// à E). Par continuité du courant :• côté soir : convergence des champs électriques et un courant aligné montant depuis l’ionosphère• côté matin : divergence des champs électriques et un courant aligné descendant dans l’ionosphère

++

+ +

+

+

+

+

+

+

Couche limite basse latitude (LLBL)Magnétopause

Lignes d’écoulement du

plasma

E

V

B

E

V

B

E

V

B

E

V

B

+

+

matinsoir

Soleil

Plan équatorial

Génération des courants alignés de Région-2

Pour aller plus loin :

Queue magnétosphérique : • champ électrique matin-soir, responsable de la convection solaire du plasma dans la queue et la magnétosphère interne

A la frontière queue/magnétosphère interne :• déformation de la frontière qui se rapproche de la Terre côté minuit et s’en éloigne sur les flancs• cette déformation génère un champ électrique de polarisation soir-matin • les 2 champs s’équilibrent à la frontière

Magnétosphère interne :• le champ électrique devient nul dans la magnétosphère interne• on parle d’écrantage de la magnétosphère interne (insensible à la convection)• le champ électrique étant nul à l’intérieur de la frontière mais pas à l’extérieur, une divergence du champ électrique se produit• génération de courants alignés au champ magnétique : - côté matin : montant depuis l’ionosphère- côté soir : descendant dans l’ionosphère

EconvEpol

J//

Frontière

Feuillet de plasma

E=0

Plan équatorial

Soleil

R1R2 R2R1

Soleil1200 MLT

• Convection ionosphérique : E = - V x B (matin -> soir dans la calotte polaire et soir -> matin dans les zones aurorales)

2 types de courants ionosphériques générés par le milieu anisotrope (magnétisé) :

• Les courants horizontaux de Pedersen JP (circulant parallèle au champ électrique de convection) qui ferment les courants alignés au champ magnétique dans la basse ionosphère

• Les courants de Hall JH ou électrojets (circulant perpendiculairement au champ électrique de convection)

Fermeture des courants alignés dans l’ionosphère

Ionosphère

Magnétosphère

Soleil1200 MLTR1

J//

R2J//

R1J//

R2J//

Matin 0600 MLT

Soir1800 MLT

Jp

JH

Electrojet Est

Jp

Jp

JH

Ematin-soir

Electrojet Ouest

ConvectionSolaire

ConvectionSolaire

Calotte polaireConvection Antisolaire

D’après Clauer et Kamide (1985)

Courant équivalent ionosphérique

Soir

Distribution des courants ionosphériques de Hall ou DP-2

Convection magnétosphérique engendre :

• 2 cellules de convection ionosphérique

• 2 cellules de courants ionosphériques de Hall circulant en sens inverse, appelées DP-2 (Polar Disturbance of Type 2)

- Le courant s’écoule de minuit vers midi (flèche jaune) dans la calotte polaire et s’écoule en sens inverse dans l’ovale auroral

- L’ovale auroral est le siège de précipitations de particules responsables de fortes conductivités

- Le courant se concentre donc dans cette région et circule vers l’Ouest côté matin (flèche rouge) et vers l’Est côté soir (flèche bleue)

- Ce sont les électrojets auroraux

- Perturbations à la surface de la Terre :• côté matin : perturbation négative• côté soir : perturbation positive

Soleil

Matin

Chaînes de magnétomètres au sol :

- Détermination d’une ligne de base des données magnétomètres, (période magnétiquement calme proche de l’événement à étudier)

- Perturbations magnétiques enregistrées correspondent au système de courant ionosphérique réel (à 3D)

- Simplification : perturbations correspondent à des courants circulant dans un plan ionosphérique infiniment mince (alt. : 100 km)

- Calcul de ces courants dans les zones aurorales et la calotte polaire. On parle de courants ionosphériques équivalents

Exemple présenté :

- Courants supposés ne varier que dans la direction Nord-Sud (cas des électrojets)

- Seule, la composante Est-Ouest des courants équivalents est calculée en fonction de la latitude et du temps

- Courants codés en couleur : jaune-rouge représente les courants vers l’Est et vert-bleu représente les courants vers l’Ouest

Mesure des courants ionosphériques de Hall à partir

des magnétomètres au sol

Génération des courants ionosphériques de Hall

Pour aller plus loin :

- En présence de champs électrique E et magnétique B orthogonaux, les électrons et les ions dérivent dans la même direction perpendiculairement à E et B (dérive en E x B)

- Comme les ions entrent plus en collisions avec les atomes neutres, ils dérivent plus lentement que les électrons

- Par conséquent un courant net est généré dans la direction opposée à la vitesse de dérive. C’est le courant de Hall

+

N

-

V-

V+

E

JH

B

JH = n e (V+ - V-)

Plan de l’ ionosphère

BY > 0 12

18 6

9 15

70° 80°

> 0

18 6

9

12

15

75° 85°

< 0 12

18 6

9 15

75° 85°

R1 R1 NBZ

BY < 0

BZ < 0

12

18 6

9 15

80° R1 R2

R0

R1 R2

BY

BY

Erlandson et al., 1988Viking satellite

Iijima et al., 1984Magsat satellite

BZ > 0

Distribution des courants alignés du cornet polaire côté jour- générés par la reconnexion magnétique à la magnétopause sur la face avant (Bz < 0) ou dans les lobes (Bz > 0)- distribution et polarité variables : dépendant de l’orientation du champ magnétique interplanétaire et donc de la géométrie de la reconnexion sur la magnétopause

- descendant- montant

Soleil

Système de courants 3D lié aux sous-orages(Substorm Current Wedge)

Courant équivalent ionosphérique

Soleil

En période de sous-orages magnétosphériques :

Queue magnétosphérique : • reconnexion magnétique dans la queue lointaine• disruption du courant central de queue près de la Terre

Le long du champ magnétique :• divergence du courant de queue en une paire de courant aligné au champ magnétique

Ionosphère :• intensification de l’électrojet auroral vers l’Ouest côté pré-minuit• système de courant ionospherique appelé DP-1 (Disturbance Polar of Type 1)• il se produit durant la phase d’expansion du sous-orage et dure environ 30 min• il cause une perturbation négative à la surface de la Terre

- Ce courant varie en fonction de l’intensité du sous-orage

La dynamo ionosphérique ou courant Sq

- Direction et géométrie du courant : • intense courant centré sur l’équateur magnétique • circule vers l’Est, côté jour• au terminateur soir, se divise en 2 vortex (sens des aiguilles d’une montre HS et sens inverse HN)

- Distance à la Terre : dans la couche E de l’ionosphère (90-120 km d’alt.)

- Effets à la surface de la Terre :

• les perturbations magnétiques sont :

- vers le Nord à l’équateur - vers le Sud, au Nord et au Sud des centres des 2 vortex - vers l’Ouest aux terminateurs soir et matin HN - vers l’Est aux terminateurs soir et matin HS• à l’équateur, augmente l’intensité du champ magnétique à la surface de la Terre• produit la « Quiet Day Variation » ou Sq

HN

HS

Exemple de l’effet dynamo ionosphérique sur les magnétomètres au sol à moyenne latitude

Midi

Bx negative et symétrique autour de midi (station située au nord de la cellule nord)

By anti-symétrique autour de midi et négative côté soir

Formation de la dynamo ionosphérique

Pour aller plus loin :

- l’illumination solaire crée un point chaud dans l’ionosphère près du midi local

- une région de hautes pressions se développe juste après le midi local

- l’atmosphère ionisée s’écoule radialement depuis les hautes pressions vers les basses pressions

- le mouvement des particules chargées dans le champ magnétique terrestre produit un intense courant vers l’Est centré sur l’équateur magnétique (effet dynamo)

- ce courant va varier en fonction de la saison, du temps local, de la longitude géographique, de l’activité solaire

5. Modèle empirique de champ magnétique externe

Modèle empirique de champ magnétique externe

Pour reproduire la variabilité du champ externe :

- fit en harmoniques sphériques des mesures magnétiques

- prise en compte de la variation de l’inclinaison du dipôle magnétique

- prise en compte des diverses sources de courants, à partir des indices magnétiques et de facteurs de pondération

- prise en compte de l’histoire de la magnétosphère durant plusieurs heures (sous-orage, orage magnétique, reconnexion côté jour)

Plan méridien de la magnétosphère

(d’après Tsyganenko et al., 2002)

Soleil

Conclusions

• La magnétosphère terrestre est façonnée par les courants électriques

• Ces courants électriques sont partout dans la magnétosphère et l’ionosphère et assurent le couplage entre les deux régions

• Ces courants électriques varient considérablement en fonction de l’état du milieu interplanétaire, en particulier du champ magnétique du vent solaire (reconnexion) qui va impacter l’état de la magnétosphère (sous-orages et orages magnétiques)

• La majorité de ces courants produisent des effets mesurables sur les magnétogrammes au sol

• Ils sont aussi mesurables directement à l’aide de mesures satellites

Principales références utilisées dans cette présentation

Livres :

* “Basic Space Plasma Physics”, Baumjohann et Treumann, Imperial College Press, 1997

* “Introduction to Space Physics”, Kivelson et Russell, Cambridge University Press, 1995

Présentation :

* “The Utilization of Ground Magnetometer Data in Magnetospheric Physics”, R. L. McPherron, XIIIth IAGA Workshop on Observatory Instruments, Data Acquisition, and Processing, June 2008, Golden, Co