Il y a plus de 60 ans, les scientifiques ont émis l'hypothèse que ce champ électrique ambipolaire était à l'origine de la capacité de l'atmosphère de notre planète à s'échapper au-dessus des pôles Nord et Sud de la Terre. Les mesures effectuées par la fusée Endurance de la NASA ont confirmé l'existence du champ ambipolaire et quantifié sa force, révélant son rôle dans l'échappement atmosphérique et dans le façonnement de notre ionosphère (une couche de la haute atmosphère) de manière plus générale.
La compréhension des mouvements complexes et de l'évolution de l'atmosphère de notre planète nous donne des indices non seulement sur l'histoire de la Terre, mais nous permet également de comprendre les mystères des autres planètes et de déterminer lesquelles pourraient être propices à la vie. Un article de recherche sur ce sujet est publié dans la revue Nature .
Un champ électrique qui attire les particules vers l'espace
Depuis la fin des années 1960, des sondes spatiales survolant les pôles terrestres ont détecté un flux de particules s'écoulant de notre atmosphère vers l'espace. Les théoriciens ont prédit ce flux, qu'ils ont baptisé « vent polaire », ce qui a incité les chercheurs à en comprendre les causes.
On s’attendait à une certaine fuite de notre atmosphère. La lumière intense et non filtrée du Soleil devait faire s’échapper certaines particules de notre air dans l’espace, comme la vapeur s’évaporant d’une casserole d’eau. Mais le vent polaire observé était plus mystérieux. De nombreuses particules qu’il contenait étaient froides, sans aucun signe de réchauffement – et pourtant elles voyageaient à des vitesses supersoniques.
« Quelque chose devait attirer ces particules hors de l'atmosphère », a déclaré Glyn Collinson, chercheur principal de l'étude Endurance au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, et auteur principal de l'étude. Les scientifiques ont soupçonné qu'un champ électrique encore à découvrir pourrait être à l'œuvre.
On pensait que le champ électrique hypothétique, généré à l'échelle subatomique, était incroyablement faible et que ses effets n'étaient ressentis qu'à des centaines de kilomètres. Pendant des décennies, sa détection dépassait les limites de la technologie existante. En 2016, Collinson et son équipe se sont mis au travail pour inventer un nouvel instrument qu'ils pensaient capable de mesurer le champ ambipolaire de la Terre.
Lancement d'une fusée depuis l'Arctiquee
Les instruments et les idées de l'équipe étaient particulièrement adaptés à un vol de fusée suborbitale lancé depuis l'Arctique. En hommage au navire qui transporta Ernest Shackleton lors de son célèbre voyage en Antarctique en 1914, l'équipe baptisa sa mission Endurance. Les scientifiques mirent le cap sur le Svalbard, un archipel norvégien situé à quelques centaines de kilomètres du pôle Nord et abritant le site de lancement de fusées le plus septentrional du monde.
« Le Svalbard est le seul site de lancement de fusées au monde où l'on peut voler à travers le vent polaire et effectuer les mesures dont nous avons besoin », a déclaré Suzie Imber, physicienne spatiale à l'Université de Leicester, au Royaume-Uni, et co-auteur de l'étude.
Le 11 mai 2022, Endurance a décollé et atteint une altitude de 768,03 kilomètres (477,23 miles), avant d'amerrir 19 minutes plus tard dans la mer du Groenland. Sur la plage d'altitude de 322 miles où elle a collecté des données, Endurance a mesuré une variation de potentiel électrique de seulement 0,55 volt.
« Un demi-volt, ce n'est presque rien, c'est à peu près aussi puissant qu'une pile de montre », a déclaré Collinson. « Mais c'est juste assez pour expliquer le vent polaire. »
Les ions hydrogène, le type de particule le plus abondant dans le vent polaire, subissent une force extérieure de ce champ 10,6 fois plus forte que la gravité.
« C'est plus que suffisant pour contrer la gravité – en fait, c'est suffisant pour les lancer vers le haut dans l'espace à des vitesses supersoniques », a déclaré Alex Glocer, scientifique du projet Endurance à la NASA Goddard et co-auteur de l'article.
Les particules plus lourdes bénéficient également d'un coup de pouce. Les ions d'oxygène à la même altitude, immergés dans ce champ d'un demi-volt, pèsent deux fois moins. En général, l'équipe a constaté que le champ ambipolaire augmente ce que l'on appelle la « hauteur d'échelle » de l'ionosphère de 271 %, ce qui signifie que l'ionosphère reste plus dense à des hauteurs plus élevées qu'elle ne le serait sans lui.
« C'est comme un tapis roulant qui soulève l'atmosphère jusqu'à l'espace », a ajouté Collinson.
La découverte d'Endurance a ouvert de nombreuses nouvelles voies d'exploration. Le champ ambipolaire, en tant que champ énergétique fondamental de notre planète aux côtés de la gravité et du magnétisme, a peut-être continuellement façonné l'évolution de notre atmosphère d'une manière que nous pouvons maintenant commencer à explorer. Parce qu'il est créé par la dynamique interne d'une atmosphère, des champs électriques similaires devraient exister sur d'autres planètes, notamment Vénus et Mars.
« Toute planète dotée d'une atmosphère devrait avoir un champ ambipolaire », a déclaré Collinson. « Maintenant que nous l'avons enfin mesuré, nous pouvons commencer à comprendre comment il a façonné notre planète ainsi que d'autres au fil du temps. »
Plus d'informations : Glyn A. Collinson et al., Le champ électrostatique ambipolaire de la Terre et son rôle dans la fuite des ions vers l'espace, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07480-3
(c) Miles Hatfield et Rachel Lense, Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Fourni par le Goddard Space Flight Center de la NASA