Nouvelle compréhension des particules invisibles – mais puissantes

Van Allen Belts Two Giant Donuts of Radiation
Van Allen ceinture deux beignets géants de rayonnement

Représentation d’un artiste avec une section en coupe des deux beignets de rayonnement géants, appelés les ceintures de Van Allen, qui entourent la Terre. Crédit : NASA/Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio

De minuscules électrons et protons chargés qui peuvent endommager les satellites et altérer l’ozone ont révélé certains de leurs mystères aux scientifiques de l’Université d’Otago.

Dans une étude publiée dans Lettres de recherche géophysique, le groupe a examiné des particules chargées interagissant avec un type d’onde radio appelée « EMIC » – une onde générée dans les ceintures de rayonnement de la Terre (anneaux invisibles de particules chargées en orbite autour de la Terre).

L’auteur principal, le Dr Aaron Hendry, du Département de physique, dit qu’il est important de comprendre comment ces ondes affectent les ceintures – qui sont remplies de satellites coûteux et importants – et le climat de la Terre.

« Tout comme l’atmosphère terrestre, la magnétosphère terrestre – la région autour de la Terre où notre champ magnétique est plus fort que celui du Soleil – subit parfois de fortes « tempêtes » ou des périodes de forte activité. Ces tempêtes peuvent provoquer des changements importants dans le nombre de particules dans les ceintures de radiation et peuvent accélérer certaines d’entre elles à des vitesses très élevées, ce qui en fait un danger pour nos satellites. Il est très important pour nous de savoir combien de ces particules il y a, ainsi que la vitesse à laquelle elles se déplacent, afin que nous puissions nous assurer que nos satellites continuent de fonctionner.

« L’activité au sein des ceintures de radiations peut parfois modifier les orbites de ces particules. Si ces changements amènent les particules suffisamment bas pour atteindre la haute atmosphère terrestre, elles peuvent heurter l’air dense, perdre toute leur énergie et tomber hors de leur orbite.

« Les ondes EMIC sont connues pour être capables de provoquer ces changements et de provoquer la perte de particules des ceintures de rayonnement. En plus de provoquer de beaux jeux de lumière que nous appelons aurores, cette pluie de particules peut également provoquer des changements chimiques complexes dans la haute atmosphère qui peuvent à leur tour provoquer de petits, mais importants, changements dans la quantité d’ozone présente dans l’atmosphère.

« Bien que ces changements soient minimes, il est très important de les comprendre pour bien comprendre le fonctionnement de la chimie de l’atmosphère, son évolution au fil du temps et son impact sur le climat », explique le Dr Hendry.

Pour leur dernière étude, les chercheurs ont utilisé les données des satellites GPS pour déterminer le nombre d’électrons que les ondes EMIC peuvent projeter dans l’atmosphère terrestre.

Une règle générale dans les ceintures de radiation est qu’à des vitesses plus lentes, vous avez beaucoup plus d’électrons. Ainsi, si la vitesse minimale de l’interaction des ondes EMIC est abaissée, il y a beaucoup plus d’électrons autour pour interagir avec les ondes.

En examinant les données des satellites qui surveillent le nombre d’électrons dans les ceintures de rayonnement et à quelle vitesse ils vont, les chercheurs ont pu montrer que vous pouvez voir le nombre d’électrons dans les ceintures de rayonnement diminuer considérablement lorsque les ondes EMIC sont autour.

« De manière intéressante, nous avons également constaté des changements dans le nombre d’électrons à des vitesses nettement inférieures à la vitesse minimale « acceptée » actuelle. Cela signifie que l’EMIC peut affecter un nombre d’électrons beaucoup plus important que nous ne le pensions auparavant. De toute évidence, nous devons repenser la façon dont nous modélisons cette interaction et l’impact qu’elle a sur les ceintures de radiation. Il y a beaucoup d’électrons dans les ceintures de radiations, donc être capable d’en envoyer suffisamment dans l’atmosphère pour faire un changement notable est tout à fait remarquable.

“Cela a montré que nous devons prendre en compte ces ondes EMIC lorsque nous réfléchissons à la façon dont les ceintures de radiations changent au fil du temps et comment ces changements dans la ceinture de radiations affectent le climat sur Terre.”

Le Dr Hendry dit que l’impact des électrons pilotés par les EMIC sur la chimie atmosphérique n’est actuellement pas inclus dans les principaux modèles climatiques, qui tentent de prédire comment le climat de la Terre changera au fil du temps, donc s’assurer que ce processus est compris et inclus dans ces modèles est très important.

“Les changements sont très faibles par rapport à des choses comme l’impact humain sur le climat, mais nous devons comprendre l’ensemble du tableau afin de bien comprendre comment tout s’emboîte.”

Référence : “Evidence of Sub-MeV EMIC-Driven Trapped Electron Flux Dropouts From GPS Observations” par AT Hendry, CJ Rodger, MA Clilverd et SK Morley, 18 avril 2021, Lettres de recherche géophysique.
DOI : 10.1029/2021GL092664

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