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Ceintures de radiations: ces particules énergiques qui encerclent la Terre

Ceintures de radiations, particules énergiques encerclant la Terre  

Les ceintures de radiations (également connues sous le nom de ceintures de Van Allen) sont des régions annulaires encerclant la Terre, dans lesquelles se trouvent des particules très énergiques (c’est à dire très rapides). Ces particules sont essentiellement piégées dans le champ magnétique terrestre. On peut considérer que ces particules sont une forme de rayonnements ionisants. De ce fait, ces particules constituent un véritable danger pour les humains et pour les vaisseaux spatiaux en orbite autour de la Terre.

Les particules énergétiques qui évoluent dans les ceintures de radiations y adoptent des trajectoires qui suivent les lignes de force du champ magnétique terrestre. Dans la magnétosphère, qui est essentiellement composée de gaz d’origine terrestre, le champ magnétique de notre planète capture les particules chargées très énergétiques émises par le Soleil.

Deux ceintures de Van Allen et leur distance de la terre (altitude)

Ces particules se retrouvent alors piégées dans deux régions bien précises de la magnétosphère appelées ceintures de Van Allen. Elles tirent leur nom du physicien américain James Alfred Van Allen qui les a découvertes en 1958, grâce au premier satellite américain Explorer 1.

  • La ceinture intérieure commence entre 300 et 1000 kilomètres du sol environ pour atteindre sa limite supérieure à environ 10.000 km. Elle se compose principalement de protons même si on y retrouve aussi des ions et des électrons.
  • La ceinture extérieure évolue pour sa part entre 10.000 et 40.000 kilomètres. Elle se compose principalement d’électrons.

Entre la ceinture intérieure et la ceinture extérieure apparaît une région de "faille" où le flux d'électrons diminue par rapport à sa valeur dans la zone interne, avant de remonter dans la zone externe.  La localisation et l'étendue de la ceinture interne, de la faille et de la zone extérieure dépendent de l'énergie des électrons.

Aux hautes latitudes, la ceinture extérieure des électrons atteint de très basses altitudes.

Trois mouvements superposés des particules dans les ceintures de radiations

De manière générale, les particules chargées électriquement restent piégées dans le champ magnétique de la Terre. Leurs trajectoires peuvent en première approximation être décomposées en trois mouvements superposés (voir Fig. 29), du moins pour les particules dont l’énergie n’est pas trop élevée :

  • Un mouvement de giration autour des lignes du champ magnétique
  • Un mouvement d’oscillation entre deux points miroirs situés dans chaque hémisphère
  • Un mouvement plus lent de dérive en longitude, vers l’est pour les électrons et vers l’ouest pour les protons énergétiques.

Le mouvement azimutal des ions et des électrons dans des directions opposées produit une gigantesque spire de courant qui est responsable de la décroissance de l'intensité de la composante horizontale du champ magnétique durant les orages magnétiques.

Ce mouvement global explique la forme toroïdale des ceintures. L'axe de symétrie des ceintures coïncide avec l'axe du dipôle magnétique terrestre qui est incliné de 11 degrés par rapport à l'axe de rotation de la Terre.

De plus, le centre du dipôle est décalé de plus de 500 km dans la direction du Pacifique Nord par rapport au centre de gravité de la planète. A cause de ce décentrage, les protons énergétiques pénètrent plus profondément dans l'atmosphère de la Terre au-dessus de l'Atlantique Sud. Cette région est appelée l'Anomalie Sud Atlantique (SAA).

Les sources des particules très énergétiques

Dans la zone interne, les protons et électrons de haute énergie sont produits par désintégration de neutrons générés par les rayons cosmiques ou par des protons de haute énergie d'origine solaire.

En effet, lorsque ces particules très énergétiques heurtent des atomes d'azote ou d'oxygène de l'atmosphère, cela produit une réaction nucléaire au cours de laquelle un neutron est créé. Environ 10 % de ces neutrons s'échappent vers l'espace et se décomposent rapidement en protons et électrons.  Ces derniers sont captés par le champ magnétique.

La population électronique de la zone extérieure varie beaucoup plus rapidement au cours du temps que dans la ceinture intérieure, en particulier pendant les orages magnétiques.  Les sources principales des particules dans la ceinture externe sont le vent solaire et la magnétosphère. La présence d’ions d’hélium et d’oxygène montre que l'ionosphère contribue également.

L'intensité dépend de l'altitude

Les particules piégées peuvent être perdues par collisions avec l'atmosphère terrestre.  En particulier, les protons qui descendent trop bas dans l'atmosphère ont tendance à perdre leur charge. En dessous de 400 km environ, l'intensité des ceintures de radiation est basse car les particules subissent beaucoup de collisions.

Par contre, à une distance radiale de 8000 km, les particules peuvent rester piégées dans le champ magnétique durant plusieurs années.  L'intensité des flux dépend considérablement de l'altitude.  Les flux de protons de très hautes énergies rencontrés dans la zone interne sont les plus dommageables pour les satellites, en particulier pour les cellules photoélectriques des panneaux solaires.

Ces trois schémas montrent comment les emplacements relatifs de la limite extérieure de la plasmasphère terrestre, de la plasmapause (en bleu) et des ceintures de Van Allen (en rouge) changent en fonction des conditions géomagnétiques. Crédits ESA - C. Carreau
La figure illustre la trajectoire compliquée suivie par les particules des ceintures de Van Allen
La figure illustre la trajectoire compliquée suivie par les particules des ceintures de Van Allen