Du soleil à la Terre , livre ebook

C O LLECTION G R ENOBLE S C IENCES
DIRIGÉE PAR JEAN BORNAREL
DU SOLEIL À LA TERRE
AÉRONOMIE
ET MÉTÉOROLOGIE DE L’ESPACE
OUVRAGE PUBLIÉ AVEC LE CONCOURS
DU MINISTÈRE DE L’ÉDUCATION NATIONALE, DE LA RECHERCHE ET DE LA TECHNOLOGIE
Jean LILENSTEN et Pierre-Louis BLELLY
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C DU SOLEIL À LA TERRE
AÉRONOMIE ET MÉTÉOROLOGIE DE L’ESPACEGrenoble Sciences
Grenoble Sciences fut créé avec le triple objectif de :
• réaliser des ouvrages correspondant à un projet clairement défini, sans contrainte de
mode ou de programme,
• garantir les qualités scientifique et pédagogique,
• proposer des ouvrages à un prix accessible au public le plus large possible.
Chaque projet est sélectionné au niveau de la direction de Grenoble Sciences, puis par un
collège de referees anonymes. Ensuite, les auteurs travaillent pendant une année (en
moyenne) avec les membres d’un comité de lecture interactif dont les noms apparaissent au
début de l’ouvrage.
Directeur scientifique de Grenoble Sciences
Jean BORNAREL, Professeur à l'Université Joseph Fourier - Grenoble 1
Comité de lecture pour « Du Soleil à la Terre » :
J. Fontanari, Professeur à l’Université Paul Sabatier, Toulouse
(Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements)
C. Hanuise, Directeur de Recherches au CNRS, La Garde, Toulon
(Laboratoire de Sondages Electromagnétiques de l’Environnement Terrestre)
J.B. Robert, Professeur à l’Université Joseph Fourier, Grenoble
(Centre de Recherche sur les Très Basses Températures - CNRS)
J. Sivardière, Chercheur au CEA, Grenoble
(DRSMC / SPMS / LIH)
Grenoble Sciences reçoit le soutien :
du Ministère de l'Éducation nationale, de la Recherche et de la Technologie
de la Région Rhône-Alpes
du Conseil général de l’Isère
de la Ville de Grenoble
Photos de couverture :
Soleil (YOHKOH, Agence spatiale japonaise) et aurore boréale (Jyrki Manninen)
Réalisation et mise en pages, Centre technique Grenoble Sciences
ISBN 2.86883.467.1
© EDP Sciences, 2000DU SOLEIL À LA TERRE
AÉRONOMIE
ET MÉTÉOROLOGIE DE L’ESPACE
Jean LILENSTEN et Pierre-Louis BLELLY
C
7, avenue du Hoggar
Parc d’Activité de Courtabœuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, FranceOuvrages Grenoble Sciences édités par EDP Sciences
Collection Grenoble Sciences
Chimie. Le minimum vital à savoir - J. Le Coarer
Minimum Competence in Scientific English - J. Upjohn, S. Blattes & V. Jans
Introduction à la Mécanique statistique - E. Belorizky & W. Gorecki
Exercices corrigés d'Analyse (tomes 1 et 2) - D. Alibert
Bactéries et environnement. Adaptations physiologiques - J. Pelmont
La plongée sous-marine à l'air. L'adaptation de l'organisme et ses limites - Ph. Foster
Listening Comprehension for Scientific English - J. Upjohn
Electrochimie des solides - C. Déportes et al.
La Turbulence - M. Lesieur
Mécanique statistique. Exercices et problèmes corrigés - E. Belorizky & W. Gorecki
La symétrie en mathématiques, physique et chimie - J. Sivardière
La cavitation. Mécanismes physiques et aspects industriels - J.P. Franc et al.
L'Asie, source de sciences et de techniques - M. Soutif
Enzymes. Catalyseurs du monde vivant - J. Pelmont
L'ergomotricité. Le corps, le travail et la santé - M. Gendrier
Introduction aux variétés différentielles - J. Lafontaine
Analyse numérique et équations différentielles - J.P. Demailly
Speaking Skills in Scientific English - J. Upjohn, M.H. Fries & D. Amadis
Thermodynamique chimique - M. Oturan & M. Robert
Mathématiques pour les sciences de la vie, de la nature et de la santé - F. & J.P. Bertrandias
Magnétisme : I - Fondements, II - Matériaux et applications
sous la direction d’E. du Trémolet de Lacheisserie
Probabilités et incertitudes dans l’analyse des données expérimentales - K. Protassov
Approximation hilbertienne. Splines, ondelettes, fractales - M. Attéia & J. Gaches
Endocrinologie et communications cellulaires - S. Idelman & J. Verdetti
Chimie organométallique - D. Astruc
Mathématiques pour l’étudiant scientifique (tomes 1 et 2) - Ph.J. Haug
Grenoble Sciences - Rencontres Scientifiques
Radiopharmaceutiques. Chimie des radiotraceurs et applications biologiques
sous la direction de M. Comet & M. Vidal
Turbulence et déterminisme - sous la direction de M. Lesieur
Méthodes et techniques de la chimie organique - sous la direction de D. AstrucPRÉAMBULE
Le mot aéronomie, repris dans le titre de cet ouvrage, ne se trouve pas encore dans tous les
dictionnaires. En fait, il s’agit de la science des régions supérieures d’une atmosphère où les
phénomènes de dissociation et d’ionisation sont importants. Ce mot, créé par le grand
géophysicien Sidney Chapman (1888 – 1970), fut introduit officiellement lors de
l’assemblée générale de l’Union Internationale de Géodésie et de Géophysique à Rome en 1954,
lorsque l’Association Internationale de Magnétisme et d’Electricité Atmosphérique change
de nom pour devenir l’Association Internationale de Géomagnétisme et d’Aéronomie.
Cet ouvrage est focalisé sur l’aéronomie de l’ionosphère, c’est-à-dire sur les domaines
d’altitude où cohabitent des électrons, des ions positifs et éventuellement des ions négatifs.
Bien que dans toute atmosphère planétaire, l’ionosphère représente toujours une très faible
fraction de l’abondance des constituants neutres, c’est-à-dire sans charge électrique, son
influence sur le comportement de l’atmosphère neutre est loin d’être négligeable. La
présence d’un champ magnétique, capable de modifier le mouvement des particules
ionisées, introduit des phénomènes inconnus au niveau du sol.
Les auteurs entraînent le lecteur dans un long voyage dont le point de départ est le Soleil
pour arriver finalement à la Terre. Le caractère pluridisciplinaire de l’aéronomie exige la
connaissance de nombreuses notions qui doivent être extraites de domaines qui, très
souvent, n’ont aucun lien en commun. Le développement explosif de tous les domaines
scientifiques est tel que les notions de base, parfaitement connues par chaque spécialiste
d’un domaine donné, ne sont pas nécessairement accessibles aux nouveaux venus. Ce livre
contribue à combler cette lacune, même si certains passages feront sourire ou irriteront des
experts de haut niveau. L’ouvrage s’adresse à tous les étudiants de niveau universitaire,
qu’ils s’engagent dans des études d’ingénieur, de mathématicien, de physicien ou de
chimiste, voire même dans d’autres domaines. Certaines parties seront plus faciles pour les
uns et plus difficiles pour les autres, mais les auteurs fournissent à tous, les éléments
nécessaires à une compréhension globale. Les professionnels de l’aéronomie ionosphérique
trouveront peut-être l’occasion de se rafraîchir la mémoire ou d’émettre des commentaires
critiques très pertinents.
L’ampleur de la littérature scientifique sur le sujet ne permet pas de présenter une
bibliographie complète sans augmenter le nombre de pages de façon inacceptable.
Cependant les auteurs se sont volontairement limités aux références fondamentales ou de
caractère historique. Les différents encarts apportent des informations complémentaires qui
permettent au lecteur de se faire une idée du cheminement des concepts scientifiques. Ce
choix implique nécessairement un certain arbitraire. Attribuer la paternité d’une idée ou
d’une découverte à une personne n’est pas toujours facile.6 DU SOLEIL À LA TERRE
Tous les chapitres sont écrits avec rigueur, tant sur le plan de l’information que sur celui
des développements mathématiques indispensables à une compréhension en profondeur. Le
lecteur qui trouverait cette approche un peu rébarbative peut toujours se rabattre sur les
nombreuses illustrations en couleur qui agrémentent judicieusement l’ouvrage. De plus, la
liste des sites sur le réseau Internet fournit au lecteur des occasions superbes pour voir des
illustrations scientifiques qu’il serait difficile de trouver ailleurs.
C ’ e s t a u l e c t e ur d e dé t e r m i n e r s i c e t ou v r a g e l u i e s t u t i l e . J e p e n s e c e p e nd a n t qu e t o us
l e s é t u d i a n t s in t é r e s s é s y t r o u v e r o n t le s é l é m e n t s f o n d a m e n t a u x p o u r c o m p r e n d r e no t r e
e n vi r o n n e m e n t pr o c h e o u l o i n t a i n . « D u S o l e i l à l a T e r r e » c o m bl e u n e l a c u ne d a n s l a
l i t t é r a t ur e s c i e n t i f i q u e d ’ e x p r e s s i o n f r a n ç a i s e , e n m e t t a n t à la d i s po s i t i on d e s é t u d i a n t s
u n o u v r a ge m o d e r n e d e q u a l i t é e t d ’ a c t ua l i t é . T o u t c o m m e c e r t a i n s a t om e s e t m o l é c u l e s
d e l ’ a t m os p h è r e p e u v e n t e x i s t e r da n s d e s é t a t s m é t a s t a b l e s à l on g u e du r é e de v i e , i l f a u t
s o uh a i t e r à c e l i v r e é c r i t p a r d e s a u t e u r s c om p é t e nt s e t d y n a m i q u e s , d e n o m b r e u s e s
a n né e s d e s u c c è s .
Gaston KockartsINTRODUCTION
La conception que nous nous faisons de notre planète est en pleine mutation. Les
connaissances que nous en avions il y a quelques décennies étaient parcellaires, plusieurs
domaines de la géophysique se côtoyaient, sans que les liens entre eux ne paraissent
évidents. Mais de même que nous avons peu à peu découvert le « village Terre », nous
avons compris que, par exemple, l’océanographie est liée à la météorologie et à la
climatologie, et celles-ci à l’aéronomie, étude des hautes couches atmosphériques.
L’aéronomie dépend de l’environnement magnétique de la planète. Et finalement, tous ces
domaines sont en étroite relation avec l’astrophysique solaire, puisque la source majeure
d’énergie est le Soleil.
Alors, peu à peu, de ces sciences éparses émerge une géophysique globale, donnant une
image unifiée de notre écosystème. Nous comprenons mieux l’évolution de
l’environnement, mieux aussi l’impact que nos activités ont sur celui-ci.
L’actualité a rarement mis l’aéronomie en exergue, sans doute parce que nous vivons et
nous déplaçons dans les basses couc