Le rayonnement kilométrique Terrestre donne un bon exemple de la puissance électromagnétique que l'on peut produire avec très peu de matière : vers dix mille kilomètres d'altitude, au dessus des zones de hautes latitudes terrestres, il existe des émissions radio naturelles extrèment intenses. Ces émissions radio ont une fréquence voisine de 250 kHz (gamme des grandes ondes, comme France Inter, Europe 1...) et atteignent une puissance de 107 Watts, c'est à dire, la puissance produite par une centrale nucléaire. Pourtant, la masse de cette source de rayonnement, répartie sur quelques centaines de kilomètres, ne dépasse pas quelques kilogrammes. Jupiter, Saturne et Neptune possèdent des radio sources analogues, et leur rayonnement est assez intense pour que l'on puisse le mesurer depuis la Terre à l'aide de radio-télescopes. Le fait que la matière soit très diluée n'implique donc pas qu'il ne se passe rien !
On découvrit que lors de l'apparition d'aurores intenses, le champ magnétique terrestre subit d'importantes modifications. Ces événements conjugant aurores intenses et déformations du champ magnétique furent baptisés orages magnétiques. En 1908, le physicien suédois K. Birkeland mesurait de facon systématique les déformations du champ magnétique terrestre dans les régions polaires. Il déduisait que ces déformations sont dues à des courants électriques existant à haute altitude. Il comprit que ces courants sont compatibles avec l'existence d'électrons émis par le Soleil, même si l'explication de leur répartition demeurait mystérieuse. Pour tenter de l'expliquer, Birkeland développa, avec C. Strömer, une théorie du mouvement des électrons dans le champ magnétique dipôlaire de la Terre (1908).
Il fallut attendre 1919 pour comprendre que les mouvements des électrons ne pouvaient être traités individuellement. Lindman découvrrit que le Soleil émet un gaz ionisé (ou plasma) contenant autant d'ions que d'électrons. C'est alors que Chapman et Ferraro commencèrent à développer la théorie des plasmas spatiaux. Ils montrèrent (1931) que le flux des particules chargées (électrons et ions) en provenance du Soleil modifient le champ magnétique de la Terre. Au lieu de s'étendre dans tout l'espace, le champ magnétique terrestre est confiné dans une zone limitée par une frontière nettement définie -la magnétopause-, localisée (du coté jour) à quelques dizaines de milliers de kilomètres de la Terre. La zone intérieure à cette frontière, c'est à dire là où existe le champ magnétique terrestre, est la magnétosphère. Près de la Terre (jusqu'à 20000 km d'altitude), le champ magnétique dans la magnétosphère est quasiment dipôlaire comme l'imaginaient Strömer et Birkeland. Plus loin, il est déformé par le vent solaire. Du coté jour, les lignes de champ magnétique sont comprimées les unes contre les autres, du coté nuit, elles sont étirées.
A cette époque, on pensait que les émissions de plasma par le Soleil se produisaient sporadiquement, et que la magnétosphère n'existait pas de façon permanente. Tout allait changer avec l'avènement de l'ère spatiale.
En 1958, la sonde spatiale américaine Explorer I embarquait un compteur Geiger. Celui ci révelait la présence de particules chargées piégées dans le champ magnétiques terrestre. Bien que le piégeage des particules n'ait pas été prédit par Strömer (1908), et en dépit des différences entre le champ magnétique réel et le champ dipôlaire, l'existence de zones de piégeage (aussi appelées ceintures de Van Allen) était compatible avec sa théorie. C'était la première mise en évidence experimentale directe que l'environnement lointain de la Terre contenait un plasma.
Paralèllement, des travaux théoriques menés par Parker (1957) montraient que le plasma émis par le Soleil ne peut être statique. Au contraire, ce plasma doit être éjecté du Soleil et atteindre une vitesse supersonique. C'est ainsi qu'apparu le concept de vent solaire. Au niveau de la Terre, la vitesse du vent solaire varie entre 400 et 800 km/s, sa température est de l'ordre du million de degrés, il a une densité de quelques particules par centimètre cube. L'exitence du vent solaire fut confirmée expérimentalement par la sonde soviétique Lunik I (1959).
Depuis, des centaines d'expériences embarquées à bord de sondes spatiales ont apporté des informations essentielles qui ont profondément modifié notre compréhension de la couronne solaire, du vent solaire, et des environnements planétaires.
Dans le domaine des télécommunications, les recherches sur l'ionosphère de la Terre et sur la propagation des ondes dans les plasmas ont permis de construire des modèles opérationels de propagation et de transmissions d'ondes. Ils sont employés en particulier pour la transmission des ondes entre la Terre et les satellites de télécommunications, ou pour les transmissions par réflexion d'ondes sur l'ionosphère.
D'autre part, l'étude de l'environnement ionisé de la Terre (ionosphère et magnétosphère) a permis de dresser des cartes des risques subis par les satellites suivant le type d'orbite adoptée. Pour les satellites à basse altitude (quelques centaines de kilomètres : satellites d'observations, stations habitées ...) la protection naturelle par le champ magnétique terrestre contre les particules de haute énergie est bonne, sauf dans les zones au dessus des pôles. Par contre, il faut tenir compte du ralentissement du satellite dù aux frottements avec les gaz de la haute atmosphère (ionosphère). Les satellites en orbite plus haute peuvent traverser les ceintures de radiations (= ceintures de Van Hallen) dans lesquelles la densité de particules de haute énergie est plus élevée. Ces particules entrant en collision avec des parties sensibles du satellite (électronique, panneaux solaires) peuvent endommager les équipements. Il existe maintenant des cartes représentant la répartition de ces particules de haute énergie dans les ceintures de radiation. Les satellites géostationaires (télécommunications, satellites de télévision etc), orbitent à 36 000 km d'altitude, là où la magnétosphère offre une protection beaucoup plus faible vis à vis des rayons cosmiques et des particules de haute énergie émises lors des éruptions solaires. De plus, lors d'éruptions solaires, la frontière de la magnétosphère peut être poussée vers la Terre et le satellite se retrouve alors dans le vent solaire. Les satellites en orbite géostationaires doivent donc recevoir une protection plus forte que les satellites en orbite basse, contre les méfaits de l'environnement spatial.
Afin de prévoir les conséquences des éruptions solaires sur l'environnement spatial, pour protéger les satellites qui s'y trouvent les agences spatiales européenne (ESA) et américaine (NASA) développent actuellement un projet de météorologie spatiale : il s'agirait de prévoir l'état de l'environnement spatial des satellites en s'appuyant sur un réseau d'observations du Soleil et de la Magnétosphère (satellites, radars, telescopes) et de modèles théoriques, comme le font les météorologues pour le temps qu'il fera demain sur Terre.
D'autres effets importants en astronautique sont modélisés avec l'aide de modèles de la physique spatiale. Les décharges électrostatiques (arcs électriques spontanés entre deux points d'un satellite) peuvent être très dommageables pour les satellites. Leur déclenchement provient d'interactions entre le plasma environnant, le satellite et les conditions d'éclairement de celui ci. Les connaissance acquises sur les plasmas spatiaux s'avèrent ici particulièrement utiles.
D'autres domaines d'applications sont parfois assez indirectement liés à l'objet initial de la physique spatiale, bien qu'elles en proviennent directement. Des recherches sont menées actuellement sur les interactions possibles entre des émissions de radon émises par le sol avant les tremblements de Terre et la propagation de certaines ondes électromagnétiques dans l'ionosphère. Le but de ces études serait la mise au point d'une méthode de prédiction des tremblements à l'aide de données receuillies par satellite, ce qui permettrait une surveillance de l'activité sismique sur des régions très grandes, ce qui est à l'heure actuelle impossible.
L'exploration de la magnétosphère et du milieu interplanétaire se fait à bord de sondes spatiales avec le même genre d'instrumentation (sondes Interbal, Geotail, Ulysse).
De nombreuses sondes d'exploration planétaires ou cométaires ont à leur bord des instruments d'étude de l'environnement spatial (Galileo pour Jupiter, Giotto pour la comète de Halley). C'est ainsi que l'on a découvert que Ganymède, un des plus gros satellites de Jupiter possède un champ magnétique intrinsèque. C'est le premier satellite naturel connu avec un champ magnétique. Ceci pourrait être un indice montrant que ce satellite est encore géologiquement actif.
L'exploration spatiale est une activité à risque car elle est fondée sur des technologies de pointe très chères et peu répandues. L'année 1996 a été très mauvaise pour la communauté de la physique spatiale européene puisqu'elle s'est soldée par deux échecs importants : la mission Cluster (étude de la magnétosphère terrestre avec quatre satellites) a été détruite avec la fusée européene Ariane 5 qui devait la lancer. Le lancement de la sonde Mars 96, prévue pour explorer la planète Mars, est retombée à cause d'un disfonctionnement du quatrième étage de la fusée russe Proton qui devait la lancer. Ces deux missions représentaient chacune une dizaine d'années de travail de préparation, constructions, mises au point et tests dans lesquelles des centaines de personnes se sont investies. La sonde Mars 96 ne sera pas reconstruite. Par contre, de nouveaux modéles des sondes Cluster sont en cours de construction et devraient être lancées vers l'an 2000.
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