Un bouclier pour la vie

Magnétosphère et ceintures de Van Allen (coupe) ©RC2C

Premier février 1958. Les états-Unis lancent leur premier satellite, Explorer 1, à bord duquel une équipe de l’Université d’Iowa, dirigée par James A. Van Allen, a installé un détecteur de particules. Vers 2 000 km d’altitude, le détecteur sature subitement. Quelques semaines plus tard, les mesures transmises par Explorer 3 confirment la découverte : la Terre est entourée d’une région dense en particules électriquement chargées (protons et électrons), bientôt nommée « ceinture de Van Allen ».

La magnétosphère révisée

Le champ magnétique terrestre trouve son origine au centre de la Terre. Le noyau métallique liquide est en effet le siège de mouvements turbulents qui, un peu à la manière d’une dynamo géante, induisent les courants électriques responsables du champ magnétique. Ce dernier est comparable à celui d’un barreau aimanté à peu près aligné sur l’axe de rotation. Jusqu’en 1958, on pensait que le champ en question constituait une sorte de coquille imperméable aux particules chargées émises par le Soleil. La découverte de Van Allen modifie cette vision : la magnétosphère (voir le schéma et sa légende ci-dessus) ne dévie pas toutes les particules chargées qui se dirigent vers la Terre, elle en capture parfois, au moins temporairement. Les particules piégées vont et viennent durablement du voisinage d’un pôle terrestre à l’autre, en ondulant le long des lignes du champ magnétique, jusqu’à ce qu’elles interagissent avec les atomes de la haute atmosphère terrestre. Il arrive alors qu’elles provoquent des phénomènes lumineux : les aurores polaires.

L’existence d’une telle structure avait pourtant été pressentie dès les années 1900. Les physiciens norvégiens Kristian Birkeland et Fredrik Carl Størmer ont alors montré que le champ magnétique terrestre peut piéger des particules chargées, comme le fait le champ d’un barreau aimanté. Ce sont en partie ces travaux qui ont incité Van Allen à munir d’un compteur Geiger les satellites de la Nasa. Au tournant des années 60, les modèles et les mesures sont améliorés. On découvre qu’il existe non pas une mais deux ceintures. La première, dite interne, n’excède pas 10 000 km d’altitude. Elle est constituée de particules chargées qui proviennent de l’interaction entre des rayons cosmiques (des particules ultra énergétiques issues d’explosions d’étoiles) et les atomes de la haute atmosphère. La seconde, dite externe, est plus vaste et contient essentiellement des particules éjectées du Soleil.

La capacité de piégeage durable de la magnétosphère est vérifiée expérimentalement en 1958 et au début des années 60 : les Américains puis les Russes font exploser plusieurs bombes atomiques en haute altitude et parviennent à observer, pendant plusieurs années, les mouvements des électrons alors dispersés dans l’espace.

Des ceintures de sécurité dangereuses

L’étude des ceintures de Van Allen a ainsi bénéficié de la conquête spatiale, de modèles théoriques, d’intuitions... et de campagnes d’essais nucléaires. Elle a entraîné une meilleure connaissance de la structure et des variations de la magnétosphère ; elle a également fait progresser la compréhension de la façon dont la vie a pu se développer à l’abri de forts rayonnements ionisants⁽¹⁾.

Il reste néanmoins à connaître plus précisément les flux complexes de particules dont font l’objet ces ceintures, notamment afin de mieux estimer les dangers des rayonnements en leur sein. Il s’agit en effet de protéger plus efficacement les engins et les êtres vivants qui les traverseront lors des futures missions spatiales, surtout en période d’éruption solaire dont le flux important de particules « gonfle d’énergie » les ceintures. Tel est l’objectif d’une mission que la Nasa va lancer en 2011 dans le cadre de son programme « Living With A Star » (Vivre avec une étoile).

⁽¹⁾ Voir le Numéro 5 de "Têtes chercheuses dans la rubrique Archives