L’atmosphère et la magnétosphère de la Terre

Après Vénus, nous arrivons à la Terre. Avec un diamètre de 12 800 kilomètres, légèrement supérieur à celui de Vénus, la Terre est la plus grande planète du système solaire interne. Elle orbite autour du Soleil à une distance moyenne de 150 millions de kilomètre en une année.

Cette distance sert de définition pour l’unité astronomique, une unité de distance utilisée pour mesurer les distances dans le système solaire. Le plan de l’orbite de la Terre autour du Soleil est appelé le plan de l’écliptique et sert également de référence dans le système solaire.

Terre

Une image de la Terre prise par la sonde Galileo lors de son premier survol de notre planète en 1990. Crédit : NASA

Les saisons

La Terre tourne sur elle-même en un peu moins de 24 heures, ce qui donne lieu à l’alternance des jours et des nuits.

Son axe de rotation est incliné de 23 degrés par rapport à la direction perpendiculaire au plan de l’écliptique. Cet axe garde une direction plus ou moins fixe par rapport aux étoiles, mais au cours de l’orbite terrestre, sa direction par rapport au Soleil change. C’est cette particularité qui donne lieu aux saisons.

Ainsi, à la fin du mois de juin, l’hémisphère nord de notre planète est légèrement penchée vers le Soleil et reçoit plus de rayonnement : les journées sont plus longues et les températures plus chaudes, l’été commence dans l’hémisphère nord.

Au contraire, à la fin du mois de décembre, c’est l’hémisphère sud qui est penchée vers le Soleil. Dans l’hémisphère nord, les journées sont plus courtes et les températures plus basses, c’est l’hiver qui commence.

Dans les périodes de transition, aucune des hémisphères n’est privilégiée, les températures sont moyennes, tout comme la longueur des journées, c’est soit le printemps, soit l’automne.

L’atmosphère

L’une des caractéristiques qui distinguent notre planète est la composition de son atmosphère. Cette dernière contient 78 pour cent d’azote, 21 pour cent d’oxygène, le reste étant constitué de gaz rares comme l’argon, de gaz carbonique, de vapeur d’eau et de traces d’autres constituants, sans oublier de nombreuses particules en suspension.

En guise de comparaison, les planètes Vénus et Mars ont une atmosphère dominée par le gaz carbonique, avec un peu d’azote et pratiquement pas d’oxygène.

La grande quantité d’oxygène présente est une conséquence directe du phénomène terrestre le plus remarquable : la vie. C’est en effet le développement d’organismes vivants qui a lentement transformé notre atmosphère en y injectant de l’oxygène.

Aurore

Une aurore australe photographiée depuis la navette spatiale lors du maximum solaire de 1991. Crédit : NASA

Les limites de l’atmosphère ne sont pas bien définies. La densité décroît avec l’altitude mais l’atmosphère est encore détectable à des milliers de kilomètres d’altitude.

Les variations de température avec l’altitude ont permis de définir plusieurs couches dans l’atmosphère.

A partir du sol, la température décroît jusqu’à atteindre un minimum de -55 degrés Celsius à une hauteur d’environ 10 kilomètres. Cette couche s’appelle la troposphère et contient les trois quarts de la masse totale de l’atmosphère. C’est là que se produisent tous les phénomènes météorologiques comme les nuages ou la pluie.

Au-dessus de la troposphère, la température remonte jusqu’à atteindre zéro degré Celsius vers une altitude de 50 kilomètres : c’est la stratosphère. On y trouve en particulier les molécules d’ozone qui joue un rôle essentiel en absorbant les rayons ultraviolets du Soleil, les empêchant d’atteindre le sol. C’est d’ailleurs cette absorption qui produit l’augmentation de température dans la stratosphère.

Ensuite la température recommence à descendre jusqu’à 85 kilomètres, c’est la mésosphère, puis à remonter, c’est la thermosphère, la couche dans laquelle les petits corps du système solaire se consument en donnant lieu à des météores ou étoiles filantes.

Au-delà de 500 kilomètres environ, on parle de l’exosphère. A ce niveau, les principaux constituants sont l’hydrogène et l’hélium. Ceux-ci ne sont plus guère liés à la Terre et peuvent donc échapper à sa gravité et fuir vers le milieu interplanétaire.

Le magnétisme

Un autre élément tout aussi important dans le voisinage de la Terre est le champ magnétique. Comme nous pouvons le vérifier tous les jours à l’aide d’une boussole, la Terre est pourvue d’un champ magnétique. Celui-ci trouve probablement son origine dans les courants électriques qui circulent dans la partie liquide du noyau de fer de notre planète.

L’axe du champ magnétique n’est pas aligné sur l’axe de rotation, mais incliné d’environ 11 degrés. Ceci explique que le pôle nord magnétique se trouve au Canada, relativement loin du pôle nord géographique défini par l’axe de rotation.

L’action du champ magnétique donne naissance à une région de l’espace, appelée la magnétosphère, dans laquelle le mouvement des particules est dicté par le champ magnétique terrestre.

La forme de la magnétosphère est définie par l’interaction des particules du vent solaire avec notre champ magnétique et dépend donc de l’activité de notre étoile. Dans la direction du Soleil, la magnétosphère s’étend en moyenne jusqu’à 60 000 kilomètres, mais dans la direction opposée, elle s’étire en formant une queue qui peut s’étendre jusqu’à des millions de kilomètres.

Magnétosphère

Une vue d’artiste de l’interaction entre le vent solaire et la magnétosphère terrestre (échelle non respectée). Crédit : ESA

Lorsque les particules du vent solaire atteignent notre planète, la plupart sont déviées par le champ magnétique et contournent la magnétosphère. Les quelques particules qui réussissent à pénétrer sont piégées et se mettent à tourner en spirale autour des lignes de champ et à voyager alternativement d’un pôle magnétique à l’autre.

Ce mouvement donne naissance à deux zones riches en particule, les ceintures de rayonnement de Van Allen, du nom de leur découvreur. Chacune de ces zones a la forme d’un anneau qui entoure la Terre. La première se trouve à environ 5000 kilomètres d’altitude et contient surtout des protons énergétiques. La seconde se trouve à 25 000 kilomètres et contient des électrons et des protons d’énergie moindre. Notons que les ceintures de Van Allen constituent la première grande découverte faite par les satellites artificiels.

De temps à autre, en particulier après une éruption solaire, des électrons et des protons énergétiques réussissent à pénétrer dans la haute atmosphère au niveau des régions polaires. Elles ionisent alors les atomes et les molécules présentes et donnent lieu à un phénomène lumineux appelé aurore boréale ou australe selon le pôle en question.