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L'équateur centrifuge

Tout écart aux conditions énoncées au début (champ magnétique statique uniforme et pas de forces extérieures) provoque, outre la variation de tex2html_wrap_inline3372 déjà décrite, l'apparition d'une vitesse de dérive perpendiculaire aux lignes de champ et qui se superpose à la vitesse tex2html_wrap_inline3386 du mouvement cyclotron gif. Par exemple, un champ magnétique planétaire poloïdal provoquera l'apparition d'une vitesse de dérive due à la courbure de ses lignes de champ et d'une vitesse de dérive due au gradient de sa magnitude. On montre aussi que la présence d'un champ de force tex2html_wrap_inline3414 (par exemple de pesanteur) agissant sur la particule produit une vitesse de dérive donnée par tex2html_wrap_inline3416 . Si tex2html_wrap_inline3354 varie dans les limites de validité de l'approximation adiabatique gif, ces vitesses de dérive sont faibles devant celles du mouvement quasi-hélicoïdal.

En revanche, dans le cas de la magnétosphère d'une planète possédant un champ poloïdal, il existe une variation forte (non adiabatique) mais régulière du champ magnétique, due à la rotation de la planètegif qui entraîne avec elle les pôles et les lignes de forces de tex2html_wrap_inline3354 . Cette rotation du champ se traduit, via le «gel» du champ magnétique dans le plasma, par l'entraînement du plasma avec la rotation planétaire. Montrons brièvement qu'on peut voir cet effet en terme de vitesse de dérive; considérons le champ électrique tex2html_wrap_inline3432 induit par la rotation des lignes de champ dans un référentiel inertiel : il sera responsable d'une dérive du centre guide des particules à la vitesse tex2html_wrap_inline3434 . Calculons cette vitesse de dérive: le champ électrique vu en un point P de la magnétosphère, dans un référentiel tournant avec la planète (de centre O et de vecteur rotation tex2html_wrap_inline3444 ) à la vitesse tex2html_wrap_inline3440 est alors tex2html_wrap_inline3442 .

   figure205
Figure i.1: L'équateur centrifuge est ici tracé dans un plan méridien contenant l'axe du moment magnétique tex2html_wrap_inline3450 d'un dipôle centré, incliné d'un angle tex2html_wrap_inline3202 sur l'axe de rotation planétaire de vecteur tex2html_wrap_inline3444 . L'équateur centrifuge est défini comme lieu des points les plus éloignés de l'axe de rotation sur chaque ligne de champ. L'angle tex2html_wrap_inline3206 formé par l'équateur magnétique et l'équateur centrifuge atteint son maximum dans ce plan tex2html_wrap_inline3458 et vaut tex2html_wrap_inline3210 pour un angle tex2html_wrap_inline3202 petit [Hill et al., 1974] (pour Jupiter, tex2html_wrap_inline3214 3.2°). Un point P de la magnétosphère sera aisément repéré vis-à-vis du champ magnétique par le "rayon magnétique équatorial (ou dipolaire)" L de la ligne de champ auquel il appartient, et vis-à-vis d'un plasma en corotation (tore) par sa latitude centrifuge (angle à l'équateur centrifuge local).

Dans l'approximation du champ magnétique «gelé» dans le plasma (fluide de conductivité infinie), tex2html_wrap_inline3460 est nul; on a donc tex2html_wrap_inline3462 , soit, pour une particule de centre guide en P, une dérive électrique tex2html_wrap_inline3466 (où tex2html_wrap_inline3468 désigne la composante de tex2html_wrap_inline3470 parallèle à tex2html_wrap_inline3354 ). Ainsi, à une vitesse parallèle à tex2html_wrap_inline3354 prèsgif, la vitesse imprimée au centre guide de la particule est égale à la vitesse de rotation axiale rigide tex2html_wrap_inline3476 . Autrement dit, les lignes de force du champ magnétique entraînent dans leur rotation les particules chargées, à la vitesse de corotation rigide tex2html_wrap_inline3478 x, où x est la distance de la particule à l'axe de rotation de la planète [voir fig.i.1] : le plasma est dit en corotation planétaire gif.

On en déduit une importante conséquence quant à la position d'équilibre des particules sur les lignes de champ: entraînées à la vitesse de corotation rigide, elles subissent une force centrifuge tex2html_wrap_inline3480 dont la composante parallèle à tex2html_wrap_inline3354 est une force de rappel qui s'annule sur la ligne de champ au point le plus éloigné de l'axe de rotation planétaire (cf. x tex2html_wrap_inline3484 sur la figure i.1), c'est-à-dire au point où tex2html_wrap_inline3354 est parallèle à tex2html_wrap_inline3444 . Montrons le brièvement: l'accélération centrifuge de la rotation solide est donnée au point P par tex2html_wrap_inline3490 , soit, en projetant dans la direction de tex2html_wrap_inline3354 :

tex2html_wrap_inline3494
, où tex2html_wrap_inline3496 est l'angle que fait le champ magnétique avec l'axe de rotation planétaire tex2html_wrap_inline3498 . Dans la magnétosphère de Jupiter et pour des distances de 4 à 13 tex2html_wrap_inline3218 , cette force de rappel centrifuge est, pour le gros des particules gif, beaucoup plus importante que la force miroir magnétique (voir une comparaison dans [Cummings, Dessler and Hill, 1980]). Bien entendu, cette force n'agit effectivement que sur les ions, qui ont une masse conséquente. En ce qui concerne les électrons, bornons-nous à remarquer qu'ils devront «suivre» les ions pour conserver la neutralité du plasma, d'où l'apparition d'un champ électrique (dit ambipolaire) et donc d'une force électromotrice qui jouera pour les électrons le rôle de force de rappel, mais ce point sera développé plus en détail dans la deuxième partie de cette thèse. C'est donc finalement cette force de rappel (ou de confinement) centrifuge qui déterminera sur chaque ligne de champ le point d'équilibre autour duquel les particules chargées seront effectivement confinées : ces points forment une surface gif de symétrie (et de densité maximale) du plasma en corotation, qu'on appelle équateur centrifuge.
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Michel Moncuquet
Tue Jan 13 19:37:26 MET 1998