#24.     Sous-Orages

    La magnétosphère de la terre n'est jamais au repos, ni son atmosphère. Le plus important et le plus basique de ses nombreux phénomènes dynamiques, est sans doute ce qu'on appelle sous-orage magnétosphérique, une période d'environ une heure, ou moins, au cours de laquelle de l'énergie est rapidement libérée dans la queue magnétosphérique. Dans les régions polaires, pendant les sous-orages, une aurore se crée, s'intensifie, et devient de plus en plus agitée. Le champ magnétique de la terre est perturbé. La circulation des ions et les électrons provenant de l'espace augmente, avec des énergies plus en plus élevées. Les variations du champ magnétique sont beaucoup plus importantes que celles observées de la terre.

Sous-Orages et Orages magnétiques

    Au 19ème siècle et dans la première moitié du 20ème, les perturbations magnétiques les plus étudiées furent les "orages magnétiques ", ainsi que les avait dénommés Alexandre von Humboldt. Ces pertubations du champ magnétique sont mondiales et aisément observées un peu partout. Typiquement, un orage magnétique se développe sur une demi-journée, et disparaît progressivement en quelques jours.

    Les orages magnétiques sont relativement rares. Par contre, de plus petits "sous-orages " surtout dans les régions polaires (et dans l'espace!) présentent un modèle plus simple et sans doute plus fondamental. Ils sont aussi beaucoup plus fréquents, à quelques heures d'intervalle.

    Ces deux variétés d'orages sont naturellement en relation, et, au cours des orages magnétiques, on observe généralement dans les régions polaires d'intenses sous-orages. "Les orages" sont classés d'après le nombre d'ions et d'électrons injectés de la queue à la ceinture externe des radiations, et par la perturbation magnétique mondiale qu'ils entraînent reflétant une croissance rapide du courant annulaire. Les sous -orages n'injectent habituellement pas autant de particules. On peut considérer les orages magnétiques comme des séries de sous orages très intenses, mais il y a des facteurs additionnels. En particulier il faut aux orages magnétiques des stimulus externes comme l'arrivée d'une onde de choc ou d'un jet rapide de vent solaire.

    On observe également de grandes perturbations magnétiques jusqu'à 1000 nT (nanotesla) soit 2% environ de la totalité du champ dans la zone aurorale. La perturbation mondiale observée dans un orage magnétique de bonne taille peut ne n'atteindre que100 NT, mais alors sa source est beaucoup plus lointaine, c'est le courant d'anneau qui entoure la terre à des distances de dizaines de milliers de kilomètres. D'autre part les courants électriques associés au sous-orages proviennent de l'ionosphère, à seulement 130 kilomètres environ au-dessus de la terre.

Enregistrement des électrons interceptés par le satellite synchrone ATS 6 , le 20 juillet 1974. Les sommets déchiquetés marquent l'arrivée des électrons dans les sous-orages, qui glissent progressivement encore plus loin. Les énergies résiduelles plus basses (autour de1000 ev) appartiennent au feuillet de plasma dans lequel le satellite est immergé environ la moitié de son orbite.

    Il n'est pas facile de construire un modèle à partir de ces observations, dont la majeure partie proviennent de satellites isolés. Il semble que les lignes de champ magnétique venant de la queue sont d'abord des fragments de queue étirés puis libérés, que l'on compare souvent à l'étirement et à la rétraction d'une fronde. En rebondissant, les lignes propulsent et activent des ions et des électrons dans la région de minuit, à des distances typiques de 6-15 RE.

Énergie des Sous-Orages

    En second , une attraction du champ magnétique vers la queue, dont les lobes se dilatent, stockant une énergie magnétique additionnelle. Il est pratiquement certain que ces lobes dilatés sont la réserve principale du stockage de l'énergie des sous-orages. Quelquefois, lorsque le IMF "tourne soudainement au sud" après une longue période de calme, on peut observer dans les sous-orages "purifiés" cette réserve d'énergie grossir, le champ de la queue s'intensifier et que les lignes de champ magnétique en orbite synchrone s'étirer en fragments de queue de plus en plus allongés, comme une fronde. Cette "phase de croissance" dure typiquement 40 minutes.

Libération de l'énergie

    La reconnection magnétique débute alors à l'opposé entre les lignes de champ nord et sud du milieu du feuillet plasmatique ("Le plan équatorial"), comme expliqué dans ce lien avec la magnétosphère ouverte. Chaque ligne du côté nord se divise en deux au niveau de la ligne neutre, et ses pièces sont raccordées, "épissées" " aux parties correspondantes d'une ligne du côté sud, qui est également scindée en deux.

    Les moitiés scindées et rebranchées des lignes de champ du lobe forment deux nouvelles lignes. Celle du côté de la terre , essentiellement une ligne terrestre étirée, rebondit vers la terre, juste comme une fronde libérée. L'autre est reliée à la queue , et puisqu'il n'y a plus aucune connexion avec la terre, est expulsée en bas de la queue. Elle forme une sorte de bulle de plasma connue sous le nom de "plasmoïde", en conjonction avec le chevauchement du plasma au dessus (et d'autres plasma, à l'origine plus loin dans la queue), (voyez le dessin ci-dessus). Le passage de ces plasmoïdes de la queue a été déduit des observations menées par ISEE-3 et Geotail.

    Au départ, les nouvelles lignes rebranchées sont celles du feuillet de plasma, mais comme le processus tète dans les lignes de champ magnétique des deux côtés vers la ligne neutre, les lobes de la queue sont bientôt atteints. L'effet sur le champ magnétique augmente dans les lobes, et sur l'énergie qui y est stockée, quelque chose comparable à l'effet d'une aiguille sur un ballon bien-gonflé : par ce trou d'épingle l'air peut s'échapper et libérer ainsi l'énergie stockée dans leballon, de même la ligne neutre permet aux lignes de champ (avec leur plasma) de quitter le lobe, par réduction de l'intensité et de l'énergie du champ magnétique.

    L'énergie se conserve dans la nature mais elle se transforme : l'énergie électrique consommée par un moteur est convertie en énergie cinétique, de mouvement, puis quand celle- ci est freinée en chaleur, par le frottement. L'énergie magnétique prélevée dans les lobes de la queue réapparaît également sous différentes formes.

    Une partie devient de la chaleur, ce qui accélère les ions et les électrons du plasma et par conséquent augmente leur énergie (la chaleur pourvoyant en énergie cinétique les différentes particules se déplaçant de façon désordonnée -- dans un gaz ou un plasma). Le plasma le plus apte à se réchauffer par ce processus est celui qui est relié aux lignes de champ reconnectées : puisque ces lignes viennent des lobes de queue, dont le plasma est extrêmement raréfié (voir la queue de la magnétosphere ), relativement peu de particules se partagent cette énergie et en reçoivent par conséquent d'autant plus, une quantité qui peut être importante.

Courants Electriques

    Comme déjà noté (section sur la queue de la magnétoshere, et aussi sur le dessin de droite), un courant électrique important coule constamment à travers le feuillet de plasma, à partir du bord de l'aube vers le bord du crépuscule (et se referme alors le long de la limite de la magnétosphère). Il semble que dans un sous-orage une partie de ce courant soit déviée vers la terre en suivant les lignes de champ magnétique.

    Ce détournement commence dans la moitié côté matin du feuillet plasmatique, où les courants le long des lignes de champ sont soustraits à l'écoulement vers la terre. Ils continuent alors (le plus souvent) dans l'ionosphère, et retournent finalement dans l'espace le long d'autres lignes de champ, côté soir de la queue. Le contournement (by-pass) au milieu du feuillet plasmatique, où le courant de croisement de queue est affaibli, semble aussi être une région très impliquée dans le sous-orage, mais comment, c'est toujours en discussion. L'écoulement des courants électriques le long des lignes de champ peut aussi être à l'origine des aurores des sous-orages, comme cela sera discuté plus tard.

Compréhension des Sous-Orages

    Bien que la physique en soit tout à fait différente, on peut comparer un sous-orage à un orage (de météo atmosphérique). Les spécialistes de météorologie ont une vue nette et ordonnée de ce phénomène : son énergie provient de l'humidité contenue dans l'air chaud et humide, et un écoulement aérien ascendant se produit (comme la colonne centrale qui s'élève dans la casserole de la section sur la convection), s'étendant à de grandes hauteurs. On peut décrire les processus commandant ce flux d'air dans ce "courant aérien ascendant" central et la formation de la pluie (et même de la foudre, un phénomène quelque peu périphérique).

    Mais en fait l'observation d'un orage réel ne montre aucune structure bien claire : les écoulements sont obscurcis par les nuages, les modèles sont déformés, les orages voisins se perturbent l'un l'autre, et chaque orage est un fait unique. Depuis la terre, un observateur peut avoir du mal à tirer toutes les conclusions. Les ballons-sondes équipés d'instruments tirés dans l'orage peuvent aider, mais si seulement quelques uns sont disponibles, leurs résultats peut être contradictoires, puisque ceux qui manquent le mouvement global s'élèvent de manière imprévisible. dans le courant aérien ascendant

Il en est de même pour les sous-orages mais c'est encore plus difficile -- en raison de leur plus grande distance, leur plus grande taille, le petit nombre de satellites disponibles et sans doute la complexité plus grande des phénomènes au sein du plasma. Presque tout que nous savons sur eux provient d'observations au sol ou de passages de satellites isolés, ce qui ne rend pas la synthèse facile puisque chaque orage se comporte différemment.