Qui aurait cru que la haute atmosphère de la Terre était un amas de lettres ? La mission GOLD (Global-scale Observations of the Limb and Disk) de la NASA a révélé des formations en forme de C et de X inattendues dans une couche de gaz électrifiée située bien au-dessus de nos têtes, appelée ionosphère.
Bien que ces formes alphabétiques aient déjà été observées, GOLD les voit plus clairement que d’autres instruments et les trouve désormais là et quand les scientifiques ne s’y attendaient pas. Leurs apparitions surprises prouvent que nous avons encore beaucoup à apprendre sur l’ionosphère et ses effets sur les signaux de communication et de navigation qui la traversent.
Interface dynamique de la Terre avec l’espace
S’étendant entre 50 et 400 milles au-dessus de nous, l’ionosphère se charge électriquement pendant la journée lorsque la lumière du soleil frappe notre planète et que son énergie chasse les électrons des atomes et des molécules. Cela crée une soupe de particules chargées, appelée plasma, qui permet aux signaux radio de voyager sur de longues distances.
Près de l’équateur magnétique terrestre, les particules chargées sont canalisées vers le haut et vers l’extérieur le long des lignes de champ magnétique, créant deux bandes denses de particules au nord et au sud de l’équateur que les scientifiques appellent crêtes. À la tombée de la nuit et lorsque l’énergie solaire s’estompe, des poches de faible densité dans le plasma, appelées bulles, peuvent se former dans l’ionosphère. En raison de leur densité variable, les crêtes et les bulles peuvent interférer avec les signaux radio et GPS.
Alors que les observations précédentes donnaient de brefs aperçus des crêtes et des bulles dans l’ionosphère, GOLD surveille ces caractéristiques sur de longues périodes de temps. C’est grâce à son orbite géostationnaire, qui fait le tour de notre planète au même rythme que la Terre, permettant à GOLD de survoler l’hémisphère occidental.
Cette visualisation montre des bulles de plasma en forme de C et en forme de C inversé apparaissant rapprochées dans l’ionosphère le 12 octobre 2020 et le 26 décembre 2021, comme observé par la mission GOLD de la NASA. Les bulles apparaissent comme des éléments verticaux bleu foncé s’étendant entre deux crêtes lumineuses (denses). Voir plus de visualisations de Studio de visualisation scientifique de la NASACrédit : Studio de visualisation scientifique de la NASA
Crêtes inattendues en forme de X dans des conditions calmes
L’ionosphère est sensible aux perturbations provenant à la fois de l’espace et de la météo terrestre. GOLD a déjà révélé qu’après une tempête solaire ou une énorme éruption volcanique, les crêtes de l’ionosphère peuvent fusionner pour former un X. Mais maintenant, GOLD a vu un X se former à plusieurs reprises alors qu’il n’y avait pas de telles perturbations, ce que les scientifiques appellent « période de calme ».
« Les premiers rapports de fusion n’ont été signalés que dans des conditions géomagnétiquement perturbées – c’est une caractéristique inattendue dans des conditions géomagnétiques calmes », a déclaré Fazlul Laskar, du Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) de l’Université du Colorado, qui est l’auteur principal d’une étude article sur cette découverte publié dans le Journal de recherche géophysique : physique spatiale.
Ces apparitions inattendues indiquent aux scientifiques que quelque chose d’autre doit être impliqué dans la formation de ces formes en X. Les modèles informatiques suggèrent que le X pourrait se développer lorsque des changements dans la basse atmosphère entraînent le plasma vers le bas.
« Le X est étrange car il implique que des facteurs bien plus localisés sont à l’origine de ce phénomène », a déclaré Jeffrey Klenzing, scientifique au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, qui étudie l’ionosphère. « On s’attend à ce que ce phénomène se produise lors d’événements extrêmes, mais le fait de l’observer pendant une période de « calme » suggère que l’activité de la basse atmosphère influence de manière significative la structure ionosphérique. »
Cette visualisation montre une caractéristique lumineuse et horizontale en forme de X apparaissant dans l’ionosphère le 7 octobre 2019, comme observé par la mission GOLD de la NASA. Chacune des observations de GOLD couvre environ 45 degrés de longitude et s’effectue d’est en ouest, en alternance entre les hémisphères nord et sud. Rayleigh est une unité permettant de mesurer la quantité de lumière (dans ce cas, la lumière ultraviolette). Voir plus de visualisations de Studio de visualisation scientifique de la NASACrédit : Studio de visualisation scientifique de la NASA
Les bulles en forme de C indiquent de fortes turbulences
GOLD a également découvert des bulles de plasma surprenantes en forme de C qui indiquent d’autres dynamiques déroutantes influençant l’ionosphère.
La plupart des bulles de plasma apparaissent longues et droites, se formant le long des lignes de champ magnétique. Mais certaines bulles sont courbées en forme de C ou en C inversé, qui, selon les scientifiques, sont façonnées par les vents terrestres. Les modèles informatiques suggèrent qu’une forme de C se forme si les vents augmentent avec l’altitude à l’équateur magnétique et qu’un C inversé se forme si les vents diminuent avec l’altitude.
« C’est un peu comme un arbre qui pousse dans une zone venteuse », explique Klenzing. « Si les vents soufflent généralement vers l’est, l’arbre commence à s’incliner et à pousser dans cette direction. »
Dans un article publié en novembre 2023 dans le Journal de recherche géophysique : physique spatialeLe scientifique du LASP Deepak Karan et ses collègues rapportent que GOLD a observé des bulles de plasma en forme de C et de C inversé apparaissant étonnamment proches les unes des autres, à environ 400 miles de distance (à peu près la distance entre Baltimore et Boston).
« Dans cette proximité, ces deux bulles de plasma de formes opposées n’avaient jamais été imaginées, jamais photographiées », a déclaré Karan. Pour que la configuration des vents change de direction dans une zone aussi petite, Karan pense qu’une sorte de forte turbulence, comme un vortex, un cisaillement du vent ou une activité semblable à une tornade, est probablement en jeu dans l’atmosphère.
« Le fait que nous ayons des formes très différentes de bulles aussi rapprochées nous indique que la dynamique de l’atmosphère est plus complexe que prévu », a déclaré Klenzing.
Ces appariements rapprochés semblent rares, GOLD n’ayant enregistré que deux cas jusqu’à présent. Mais comme ces caractéristiques peuvent perturber les technologies de communication et de navigation essentielles, « il est vraiment important de découvrir pourquoi cela se produit », a déclaré Karan. « Si un vortex ou un cisaillement très fort dans le plasma s’est produit, cela déformera complètement le plasma dans cette région. Les signaux seront complètement perdus en cas de perturbation aussi forte. »
Les scientifiques espèrent que les observations continues de GOLD, combinées à celles d’autres missions héliophysiques, pourront aider à percer les mystères de l’ionosphère et leurs effets sur nos vies.
Plus d’information:
FI Laskar et al, La fusion des motifs X des crêtes d’anomalies d’ionisation équatoriale pendant le temps de calme géomagnétique, Journal de recherche géophysique : physique spatiale (2024). DOI: 10.1029/2023JA032224