Une étude, dont les résultats intitulés «Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence in the Earth’s Magnetosheath: Estimation of the Energy Cascade Rate Using in situ Spacecraft Data» ont été publiés dans la revue Physical Review Letters, a permis d'obtenir, en utilisant les mesures in situ des sondes spatiales Cluster et Themis, la première estimation du taux de dissipation d'énergie dans la magnétogaine, une région clé de l'environnement plasma près de la Terre.

Rappelons tout d'abord que le vent solaire «est un plasma supersonique (flux de particules chargées principalement des protons et des électrons)», continuellement émis par le soleil, qui «se propage dans le milieu interplanétaire et interagit avec les planètes du système solaire».

Lorsqu'une planète est pourvue d’un champ magnétique intrinsèque, la magnétosphère qui se forme autour d'elle «agit comme un obstacle s’opposant à l’écoulement du vent solaire». Cette interaction vent solaire-magnétosphère «génère alors une onde de choc, suivie d’une région très turbulente appelée magnétogaine dans laquelle le vent solaire ralentit, devient plus dense et plus chaud».

Alors que «la turbulence plasma dans le magnétogaine est considérée comme un ingrédient clé pour comprendre les transferts d’énergie et la pénétration des particules du vent solaire dans la magnétosphère», (des processus «responsables de plusieurs phénomènes dynamiques tels que les aurores polaires»), plusieurs des propriétés fondamentales de la magnétogaine demeurent méconnues «malgré plusieurs décennies de recherche sur la turbulence plasma» dans celle-ci, l'une de ces inconnues étant «le taux moyen avec lequel l'énergie est dissipée dans le milieu».

Notons ici que «dans un fluide turbulent (air, eau dans une rivière), des gros vortex de taille voisine collisionnent entre eux, se fragmentent et créent des vortex de plus petite taille jusqu’à atteindre des échelles encore plus petites où l’énergie cinétique des vortex est convertie en chaleur» par dissipation. Le taux de cette dissipation «est le même que celui avec lequel l’énergie des gros vortex est transférée aux plus petits».

Cette cascade peut couvrir, dans la magnétogaine, «des échelles allant de 100 000 km à 1km» avec la différence, par rapport aux fluides neutres, que «dans les plasmas l’énergie mise en jeu est celle des champs électrique et magnétique» et que la dissipation (ou conversion) de cette énergie «se traduit par un chauffage ou une accélération des particules du plasma», des processus qui se rencontrent «dans beaucoup de plasmas astrophysiques (cf. chauffage de la couronne solaire, accélération des rayons cosmiques)».

Pour sa part, l'étude ici présentée a permis de réaliser «des progrès significatifs dans la compréhension de la turbulence dans la magnétogaine terrestre en obtenant la première estimation du taux de dissipation de l’énergie», car, jusqu'ici, il n’était pas possible «d’obtenir cette estimation en utilisant le modèle de turbulence incompressible largement utilisé dans le vent solaire» en raison «de la nature complexe de cette turbulence et de l'importance des fluctuations de densité» (autrement dit, il s'agit d'un plasma fortement compressible).

Pour remédier à cette lacune, «de nouveaux modèles théoriques plus complets (basés sur la magnétohydrodynamique) ont été développés afin de «décrire la turbulence dans les plasmas astrophysiques où les effets de la compressibilité et d’anisotropie sont importants» et c'est «l'application de ces modèles à un large échantillon de données venant des sondes spatiales ESA/Cluster et NASA/Themis dans la magnétogaine terrestre» qui a fourni le taux de dissipation de l’énergie: au bout du compte, les valeurs trouvées sont au moins 100 fois supérieures à celles obtenues dans le vent solaire, «à cause notamment des fortes amplitudes des fluctuations magnétiques et de densité dans la magnétogaine».

En outre, ce travail a permis «d’obtenir une première loi empirique qui relie le taux de dissipation d’énergie au nombre de Mach turbulent» (*). Il en résulte que, si cette loi est universelle, «elle pourrait être appliquée à des milieux astrophysiques plus lointains, tels que les magnétosphères d'autres planètes ou le milieu interstellaire, où les mesures in-situ sont rares ou inexistantes».

Lien externe complémentaire (source Wikipedia)

(*) Nombre de Mach