Impact des éjections de masse coronale interplanétaires sur la turbulence dans le plasma des environnements planétaires

2023-2024
Les sondes spatiales Venus Express et Cluster ont étudié, in situ, le plasma de Vénus et de la Terre. Les données montrent qu’une éjection de masse coronale (CME), survenue sur le Soleil le 14 janvier 2009, a entraîné:

(1) une hausse des fluctuations magnétiques dans les couches plasmatiques externes de Vénus et
(2) de fortes ondes électromagnétiques dans la magnétosphère terrestre.

Dans une autre étude, Maven, en orbite autour de Mars, a révélé qu'une CME du 5 mars 2018 avait provoqué un bruit magnétique turbulent dans l'environnement électromagnétique de Mars.Ces effets de turbulence peuvent représenter un danger pour les instruments à bord des sondes planétaires.

Le projet PLATINUM 

Le projet BRAIN-BE2 PLATINUM (2022-2025), financé par BELSPO, constitue le cadre d'une collaboration scientifique fructueuse entre l'IASB, l'Observatoire royal de Belgique et l'Université catholique de Louvain.

Dans ce projet, nous étudions la propagation interplanétaire des éjections de masse coronale (ICME) et nous nous intéressons particulièrement à leur impact turbulent sur l'environnement plasma de Vénus, de la Terre et de Mars. Nous utilisons les données collectées par les satellites Venus Express et Cluster de l'ESA (respectivement autour de Vénus et de la Terre) et par la sonde spatiale Maven de la NASA (autour de Mars) afin d’extraire des indicateurs clés du vent solaire et de la turbulence magnétique planétaire.

Les trois planètes ciblées sont représentatives de différents types d'interaction planétaire avec le vent solaire :

  • Vénus possède une atmosphère dense mais aucun champ magnétique interne,
  • la Terre possède une atmosphère dense et un champ magnétique interne puissant générant une magnétosphère bien développée,
  • Mars possède une atmosphère raréfiée et seulement quelques poches résiduelles de champ magnétique interne.

Ainsi, comparer la réponse de ces trois planètes exposées aux CMEs permet de faire progresser la compréhension des interactions plasma dans le système solaire.

À partir d'une analyse des données collectées entre 2007 et 2022, nous avons identifié une série de cas typiques et nous nous sommes concentrés sur

  1. une CME qui a éclaté le 14 janvier 2009 et qui a eu un impact sur Vénus et la Terre, et
  2.   deux CME qui ont éclaté le même jour, le 5 mars 2018, et qui ont eu un impact quasi simultané sur la Terre et Mars..

Une même éruption solaire interplanétaire provoque des effets turbulents sur deux planètes : d’abord Vénus, puis la Terre

Venus Express et Cluster ont respectivement étudié in situ la magnétogaine de Vénus et de la Terre, et ont observé des effets turbulents liés à l'impact de l'éruption solaire du 14 janvier 2009.

Nous avons notamment étudié la distribution d'échelle/en fréquence de l'énergie magnétique turbulente et avons remarqué que certaines caractéristiques observées dans l'ICME  elle-même (par exemple, une loi de puissance particulière dans le spectre de Fourier des fluctuations magnétiques) sont partiellement transmises et reproduites dans la magnétogaine des deux planètes.

De plus, une caractéristique morphologique particulière de la CME, la « corde de flux magnétique » (ou nuage magnétique), qui est la région centrale de l'ICME avec un champ magnétique plus fort, semble agir plus efficacement sur les deux systèmes de plasma planétaires.

Enfin, alors que une turbulence  irrégulière et peu développée semble être la norme dans la magnétogaine de Vénus avant et après l’impact, l’arrivée de la CME entraîne une augmentation de l’activité des ondes électromagnétiques (dans la gamme des ondes ion-cyclotron) dans la magnétogaine terrestre.

spectral structure of magnetic turbulence in the ICME
Power Spectrum Density (PSD) of solar wind magnetic field at Venus inside ICME flux rope.
Spectral structure of magnetic turbulence in the ICME itself
PSD of solar wind magnetic field at Earth inside ICME flux rope.

 

Deux éjections de masse coronale survenues le même jour impactent presque simultanément la Terre et Mars et génèrent des effets turbulents

Grâces aux observations in situ réalisées par Cluster et MAVEN, nous avons pu analyser en détail la structure de la turbulence induite par un CME sur Terre et sur Mars.

PSD of Venus magnetosheath magnetic field
PSD of Venus magnetosheath magnetic field during the interaction with ICME flux rope structure.
PSD of Earth magnetosheath magnetic field
PSD of Earth magnetosheath magnetic field during the interaction with ICME flux rope structure

Nous nous sommes concentrés sur les propriétés statistiques des fluctuations magnétiques et avons découvert que l'ICME elle-même se caractérise par de l’intermittence, c'est-à-dire que des intervalles de calme magnétique sont suivis de phases d’activité intense avec de fortes fluctuations. Le même comportement est observé dans la magnétogaine de la Terre et de Mars, avec néanmoins des niveaux plus élevés de « burstiness » magnétique sur Terre par rapport à Mars.

Références

  • Echim, M.; Munteanu, C.; Voitcu, G.; Teodorescu, E. Solar Wind Turbulence and Complexity Probed with Rank-Ordered Multifractal Analysis (ROMA). Entropy, 26, 929, 2024. https://doi.org/10.3390/e26110929
     
  • Munteanu, C., Kovacs, P., Echim, M,  “An Integrated Nonlinear Analysis (INA) Software for Space Plasma Turbulence”, Earth and Space Science, 10, e2022EA002692, 2023, https://doi.org/10.1029/2022EA002692

 

Magnétomètre à bord de la sonde Cluster
Représentation artistique du magnétomètre embarqué à bord de la sonde Cluster qui recueille des données in situ sur la turbulence magnétique induite sur Terre par l'éjection de masse coronale observée par STEREO-A. Crédit : ESA
L'éruption de l'éjection de masse coronale le 14 janvier 2009
Les données STEREO-A Extreme Ultra Violet ont montré l'éruption de l'éjection de masse coronale le 14 janvier 2009 – crédit : données STEREO SECCHI EUVI 171, via l'Observatoire Royal de Belgique et JHelioviewer.
Comparaison structure spectrale de la turbulence magnétique
Comparaison entre la structure spectrale de la turbulence magnétique dans l'ICME elle-même (colonne de gauche) et les deux magnétosphères planétaires (colonne de droite : Vénus – en haut à droite, Terre – en bas à droite).