La magnétosphère:

En 1931, Chapmann et Ferraro intrigués par les variations du champ magnétique observées à la surface de la terre, eurent l'idée qu'à certains moments, le soleil pouvait émettre des bouffées de matière qui, en arrivant au voisinage de la terre seraient déviées par le champ magnétique terrestre.

Depuis lors on a découvert que le soleil émet de la matière de façon continue ( c'est le vent solaire) et que la zone d'interaction entre cette matière et le champ magnétique terrestre existe de façon permanente. On lui adonné un nom : la magnétosphère. C'est une région très allongée. Elle s'étend à environ 60 000 km en direction du soleil et à plus de 400 000 km* dans la direction opposée. C'est une enveloppe très légère qui pèse environ une tonne. On y recense en moyenne moins d'une particule par centimètre cube. En fait la magnétosphère est même plus vide que l'espace interplanétaire qui l'entoure. La raison de ce vide très poussé réside dans les propriétés du champ magnétique.

*Les distances sont comptées à partir du centre de la terre.

Le vent solaire se compose d'électrons, de protons et de noyaux d'hélium qui se déplacent à des vitesses comprises entre 200 et 900 km/s. Au voisinage de la terre on compte 5 à 10 millions de particules par m³. En frontière de la magnétosphère, coté soleil, le champ magnétique terrestre est de l'ordre de 50 nT.

G= 6,67 10^-11 Nm²kg^-2. ; M= masse de la terre = 5,98 10²⁴ kg; m_e = masse d'un électron = 9,1 10^-31 kg ;

m_p=masse d'un proton = 1,67 10-27 kg; e= charge élémentaire = 1,6 10^-19 C.

symbole du noyau d'hélium : ₂⁴He.

mise au point d'un modèle :

Sur la figure ci-dessous on a représenté les lignes de champ magnétique terrestre dans un plan contenant les centre de la terre et du soleil, et le vent solaire parallèle à ce plan. La frontière de la magnétosphère coté soleil est représentée par la ligne passant par O. On propose différents angles de vue (a, b, c, d) pour observer l'entrée des particules du vent solaire dans une zone réduite de la magnétosphère autour de O.

Sur la figure 2 ci-dessous, on a représenté une zone A sans champ magnétique et une zone B où le champ magnétique est fort, uniforme et dirigé perpendiculairement au plan du dessin. Une particule chargée en provenance de la zone sans champ magnétique pénètre au point O, dans la zone où le champ magnétique est fort, perpendiculairement à ce champ.

1. sous quel angle de vue (a, b, c, ou d) obtient-on la figure ci-dessous.
2. Quelle hypothèse simplificatrice fait-on sur la description de ce champ magnétique.

utilisation du modèle :

1. Pour cette étude on ce place dans le référentiel géocentrique: définir ce référentiel
2. Donner l'expression vectorielle de la force de gravitation et de la force électromagnétique de Lorentz exercée sur la particule de masse m et de charge q entrant dans la zone B.
3. En prenant l'exemple d'un proton de vitesse égale à 900 km/s entrant en O, à la limite de la magnétosphère, coté soleil, montrer numériquement que'on peut ne tenir compte que d'une des deux forces.
4. Représenter cette force lorsqu'un électron passe en O.
5. En utilisant sans les démontrer les résultats du cours représenter la trajectoire d'une particule et expliquer pourquoi on trouve moins de particules dans la zone B que dans la zone A.

estimation de la profondeur de pénétration du vent solaire :

La profondeur de pénétration d'une particule de vent solaire dans la zone B est la distance maximale qu'elle atteint par rapport à la frontière de la magnétosphère. Le modèle utilisé prévoit que cette profondeur de pénétration est mv / (|q|B), avec m, masse de la particule, v sa vitesse initiale, q sa charge et B la valeur du champ magnétique. On veut déterminer quelles sont les particules (type et vitesse) du vent solaire ayant la profondeur de pénétration maximale.

1. Quelle valeur de la vitesse doit-on utiliser, Quelle particule doit-on choisir parmi les trois composant le vent solaire? Justifier.
2. Le calcul numérique donne une profondeur de pénétration maximale de 375 km. Dira t-on que le vent solaire pénètre profondémment dans la magnétosphère ou qu'au contraire le vent solaire pénètre peu profondémment dans la magnétosphère. Justifier.