Champ magnétique de Mercure

Magnétosphère de Mercure
Description de cette image, également commentée ci-après
Graphique montrant la force relative du champ magnétique de Mercure
Découverte[1]
Découverte par Mariner 10
Date de découverte avril 1974
Champ interne[2],[3]
Rayon de Mercure 2 439,7 km
Moment magnétique 2 à 6 × 1012 T m3
Intensité de champ à l'équateur

300 nT (0,000 003 G)

Inclinaison du dipôle 4,5°
Longitude du pôle magnétique °
Paramètres du vent solaire[4]
Vitesse

400 km/s

Intensité du CMI nT
Densité cm−3

Paramètres magnétosphériques[5],[6]
Distance de la magnétopause 1,4 RM
Longueur de la queue magnétique 10–100 RM
Ions principaux Na+, O+, K+, Mg+, Ca+, S+, H2S+
Sources de plasma vent solaire
Taux de chargement de masse kg/s
Densité maximale du plasma cm−3
Énergie maximale des particules jusqu'à 50 keV MeV

Aurore polaire
Puissance totale TW

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Le champ magnétique de Mercure est le champ magnétique entourant Mercure, la plus petite planète du Système solaire et la plus proche du Soleil. Il s'agit approximativement un dipôle magnétique[7] apparemment global[8],[9].

Les données de Mariner 10 conduisent à sa découverte lors du survol de Mercure en 1974. La sonde spatiale mesure alors l'intensité du champ comme 1,1 % de celle du champ magnétique terrestre[10].

L'origine du champ magnétique peut être expliquée par l'effet dynamo, du fait du noyau externe partiellement fondu de la planète[11]. Le champ magnétique est suffisamment fort près de l'arc de choc (en anglais : bow shock) pour ralentir le vent solaire, ce qui induit une magnétosphère[12].

Force

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Le champ magnétique est d'une magnitude d'environ 1,1 % de celui de la Terre[10]. À l'équateur mercurien, la force relative du champ magnétique est d'environ 300 nT, ce qui est plus faible que celui de la lune de Jupiter, Ganymède[13].

Le champ magnétique de Mercure est plus faible que celui de la Terre car son noyau s'est refroidi et s'est solidifié plus rapidement que celui de la Terre[14]. Bien que le champ magnétique de Mercure soit beaucoup plus faible que le champ magnétique de la Terre, il est encore assez fort pour dévier le vent solaire, induisant une magnétosphère[10]. Parce que le champ magnétique de Mercure est faible alors que le champ magnétique interplanétaire avec lequel il interagit sur son orbite est relativement fort, la pression dynamique du vent solaire sur l'orbite de Mercure est également trois fois plus grande que sur la Terre[15].

La question de savoir si le champ magnétique a changé de manière significative entre la mission Mariner 10 et la mission MESSENGER reste une question ouverte. Une revue de 1988 par JEP Connerney et NF Ness des données magnétiques de Mariner 10 note huit articles différents dans lesquels étaient proposés quinze modèles mathématiques différents du champ magnétique dérivés de l'analyse harmonique sphérique des deux survols proches, avec un moment magnétique allant de 136 à 350 nT-R M3 (RM étant le rayon de Mercure de 2 436 km).

En outre, ils soulignent que « les estimations du dipôle obtenues à partir des positions du bowshock et/ou de la magnétopause vont d'environ 200 nT-RM3 (Russell 1977) à environ 400 nT-RM3 (Slavin et Holzer 1979b) ».

Ils concluent ainsi que «le manque de concordance entre les modèles est dû aux limitations fondamentales imposées par la distribution spatiale des observations disponibles»[16].

Anderson et al. (2011), grâce aux données MESSENGER de haute qualité provenant de nombreuses orbites autour de Mercure par opposition à seulement quelques survols à grande vitesse, révèlent que le moment magnétique est de 195 ± 10 nT-RM3[17].

Découverte

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Les données de Mariner 10 ont conduit à la découverte du champ magnétique de Mercure.

Avant 1974, on pense que Mercure ne peut pas générer de champ magnétique en raison de son diamètre relativement petit et de son absence d'atmosphère. Cependant, lorsque Mariner 10 fait son premier survol de Mercure (avril 1974), la sonde détecte un champ magnétique d'une amplitude d'environ 1/100e de la magnitude totale du champ magnétique terrestre. Cependant, ces passages ont fourni peu de données exploitables sur l'orientation et la structure harmonique du champ magnétique, en partie parce que la couverture du champ planétaire est mauvaise (car il n'est pas prévu d'en découvrir un) et en raison du manque d'observations simultanées de la densité et de la vitesse du vent solaire[3].

Depuis sa découverte, le champ magnétique de Mercure a reçu beaucoup d'attention, principalement en raison de la petite taille de la planète et de sa rotation lente de 59 jours, des facteurs censés empêcher la planète d'avoir un tel champ. Bien que cela soit encore incertain, il est estimé que le champ magnétique provienne d'un effet dynamo[11],[18].

Origines

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Les origines du champ magnétique peuvent être expliquées par l'effet dynamo[11]. Cela consiste en la convection du fer liquide conducteur dans le noyau externe de la planète[19]. Une dynamo est générée par un gros noyau interne de fer qui a coulé vers le centre de masse de la planète (et qui ne s'est pas refroidi au fil des ans) et un noyau externe qui n'a pas été complètement solidifié et qui circule à l'intérieur.

Avant la découverte de son champ magnétique en 1974, on pense qu'en raison de la petite taille de Mercure, son noyau s'est déjà refroidi. De plus, la lente rotation de 59 jours n'aurait pas dû fournir assez d'énergie pour générer un champ magnétique.

Cette dynamo est probablement bien plus faible que celle de la Terre car elle est entraînée par la convection thermo-compositionnelle associée à la solidification du noyau interne. Le gradient thermique à la limite noyau-manteau est subadiabatique et, par conséquent, la région externe du noyau liquide est stratifiée de manière stable, la dynamo fonctionnant uniquement en profondeur, là où le champ puissant est généré[20]. En raison de la rotation lente de la planète, le champ magnétique fluctue rapidement avec le temps. Aussi, du fait du faible champ magnétique généré en interne, il est également possible que le champ magnétique généré par les courants de magnétopause présente une rétroaction négative sur les processus de dynamo, provoquant ainsi l'affaiblissement du champ total[21],[22].

Pôles magnétiques et mesure du champ

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Le champ magnétique de Mercure a tendance à être plus fort à l'équateur que dans d'autres zones de Mercure.

Comme celui de la Terre, le champ magnétique de Mercure est incliné[9],[23], ce qui signifie que les pôles magnétiques ne sont pas situés au même endroit que les pôles géographiques. En raison de l'asymétrie nord-sud du champ magnétique interne de Mercure, la géométrie des lignes de champ magnétique est différente dans les régions polaires nord et sud de Mercure[24]. En particulier, la « calotte polaire » magnétique où les lignes de champ sont ouvertes vers le milieu interplanétaire est beaucoup plus grande près du pôle sud. Cette géométrie implique que la région polaire sud est beaucoup plus exposée que celle du nord aux particules chargées chauffées et accélérées par les interactions vent-magnétosphère solaire. La force du moment magnétique et l'inclinaison du moment dipolaire sont totalement libres[3].

Le champ magnétique de Mercure a été mesuré de diverses manières. En général, le champ dipolaire interne équivalent est plus petit lorsqu'il est estimé sur la base de la taille et de la forme de la magnétosphère (~ 150–200 nT-R3)[25]. Des mesures radar terrestres de la rotation de Mercure révèlent un léger mouvement de balancement impliquant que le noyau de Mercure est au moins partiellement fondu, ce qui implique également que la « neige » de fer aide à maintenir le champ magnétique[26].

La sonde MESSENGER devait effectuer plus de 500 millions de mesures du champ magnétique de Mercure à l'aide de son magnétomètre sensible[19]. Au cours de ses 88 premiers jours en orbite autour de Mercure, MESSENGER effectue six séries différentes de mesures de champ magnétique lorsque la sonde traversait la magnétopause de Mercure[27].

Caractéristiques du champ

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'MESSENGER' a noté que le champ magnétique de Mercure est responsable de plusieurs « tornades » magnétiques - des faisceaux torsadés de champs magnétiques reliant le champ planétaire à l'espace interplanétaire - qui font environ 800 km de large soit le tiers du rayon total de la planète.

Les scientifiques ont noté que le champ magnétique de Mercure peut être extrêmement « fuyant »[28],[29],[30]. En effet, MESSENGER a rencontré des « tornades » magnétiques lors de son deuxième survol le . Ces phénomènes pourraient éventuellement expliquer comment l'atmosphère de Mercure se reconstitue en permanence (ou de façon plus correcte son exosphère).

Lorsque Mariner 10 fait le survol de Mercure en 1974, ses capteurs mesurent le bow shock, à savoir l'entrée et la sortie de la magnétopause. Il est estimé que la cavité magnétosphérique est environ 20 fois plus petite que celle de la Terre et qu'elle s'est probablement désintégrée pendant le survol de 'MESSENGER'[31]. Même si le champ ne représente que 1 % de celui de la Terre, sa détection par Mariner 10 a amener à considérer par certains scientifiques que le noyau externe de Mercure pouvait encore être liquide, ou au moins partiellement liquide avec du fer et peut-être d'autres métaux[32].

BepiColombo est une mission conjointe de l'Agence spatiale européenne (ESA) et de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) auprès de Mercure[33]. Elle est lancée en octobre 2018[34]. Une partie des objectifs de sa mission est d'étudier le champ magnétique de Mercure[35],[36].

Références

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  1. ↑ « MESSENGER Data from Mercury Orbit Confirms Theories, Offers Surprises », The Watchtowers,‎ (lire en ligne, consulté le )
  2. ↑ C. T. Russell, « Magnetic Fields of the Terrestrial Planets » [PDF], UCLA – IGPP, (consulté le )
  3. ↑ a b et c C. T. Russell et J. G. Luhmann, « Mercury: Magnetic Field and Magnetosphere », University of California, Los Angeles (consulté le )
  4. ↑ James A. Slavin; Brian J. Anderson; Daniel N. Baker; Mehdi Benna; Scott A. Boardsen; George Gloeckler; Robert E. Gold; George C. Ho; Suzanne M. Imber; Haje Korth; Stamatios M. Krimigis; Ralph L. McNutt, Jr.; Larry R. Nittler; Jim M. Raines; Menelaos Sarantos; David Schriver; Sean C. Solomon; Richard D. Starr; Pavel Trávníček; Thomas H. Zurbuchen, « MESSENGER Observations of Reconnection and Its Effects on Mercury's Magnetosphere » [PDF], University of Colorado (consulté le )
  5. ↑ Reka Moldovan; Brian J. Anderson; Catherine L. Johnson; James A. Slavin; Haje Korth; Michael E. Purucker; Sean C. Solomon, « Mercury′s magnetopause and bow shock from MESSENGER observations » [PDF], EPSC – DPS, (consulté le )
  6. ↑ A. V. Lukyanov; S. Barabash; R. Lundin; P. C. Brandt, « Elsevier; 2000 », Applied Physics Laboratory, Laurel, Laurel, Maryland, Applied Physics Laboratory, vol. v. 49, nos 14–15,‎ , p. 1677–1684 (DOI 10.1016/S0032-0633(01)00106-4, Bibcode 2001P&SS...49.1677L, lire en ligne)
  7. ↑ « New Discoveries at Mercury | Science Mission Directorate », sur science.nasa.gov (consulté le )
  8. ↑ Williams, « Planetary Fact Sheet », NASA Goddard Space Flight Center (consulté le )
  9. ↑ a et b Randy Russell, « The Magnetic Poles of Mercury », Windows to the Universe, (consulté le )
  10. ↑ a b et c Jerry Coffey, « Mercury Magnetic Field », Universe Today, (consulté le )
  11. ↑ a b et c (en-GB) « Molten core solves mystery of Mercury's magnetic field », sur Physics World, (consulté le )
  12. ↑ Randy Russell, « Magnetosphere of Mercury », Windows to the Universe, (consulté le )
  13. ↑ Kabin, Heimpel, Rankin et Aurnou, « Global MHD modeling of Mercury's magnetosphere with applications to the MESSENGER mission and dynamo theory », Icarus, University of California, Berkeley, vol. 195, no 1,‎ , p. 1–15 (DOI 10.1016/j.icarus.2007.11.028, Bibcode 2008Icar..195....1K, lire en ligne [archive du ], consulté le )
  14. ↑ Lidunka Vočadlo et Lars Stixrude, « Mercury: its composition, internal structure and magnetic field » [archive du ], UCL Earth Sciences (consulté le )
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  16. ↑ (en) J. E. P. Connerney et N. F. Ness, « Mercury's magnetic field and interior. », Mercury, University of Arizona Press,‎ , p. 494–513 (lire en ligne, consulté le )
  17. ↑ Brian J. Anderson, Catherine L. Johnson, Haje Korth et Michael E. Purucker, « The Global Magnetic Field of Mercury from MESSENGER Orbital Observations », Science, American Association for the Advancement of Science, vol. 333, no 6051,‎ , p. 1859–1862 (PMID 21960627, DOI 10.1126/science.1211001, Bibcode 2011Sci...333.1859A)
  18. ↑ « Science: Mercury's Magnetism », Time,‎ (lire en ligne, consulté le )
  19. ↑ a et b Staff Writers, « Measuring the Magnetic Field of Mercury », SpaceDaily, (consulté le )
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  21. ↑ K. H. Glassmeier, H. U. Auster et U. Motschmann, « A feedback dynamo generating Mercury's magnetic field », Geophys. Res. Lett., vol. 34, no 22,‎ , p. L22201 (DOI 10.1029/2007GL031662, Bibcode 2007GeoRL..3422201G)
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  23. ↑ Randy Russell, « Mercury's Poles », Windows to the Universe, (consulté le )
  24. ↑ (en) « NASA - Magnetic field lines differ at Mercury's north and south poles », sur www.nasa.gov (consulté le )
  25. ↑ Giacomo Giampieri et André Balogh, « Modelling of magnetic field measurements at Mercury », Planet. Space Sci., Imperial College, London, vol. 49, nos 14–15,‎ , p. 163–7 (DOI 10.1016/S0032-0633(01)00101-5, Bibcode 2001P&SS...49.1637G)
  26. ↑ « Iron 'snow' helps maintain Mercury's magnetic field, scientists say », ScienceDaily, (consulté le )
  27. ↑ (en) « Mercury's magnetic field measured by MESSENGER orbiter », sur phys.org (consulté le )
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  29. ↑ NASA/Goddard Space Flight Center, « Magnetic Tornadoes Could Liberate Mercury's Tenuous Atmosphere », ScienceDaily, (consulté le )
  30. ↑ Brian Ventrudo, « How Magnetic Tornadoes Might Regenerate Mercury's Atmosphere », Universe Today, (consulté le )
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  32. ↑ David Shiga, « Molten core may explain Mercury's magnetic field », New Scientist, (consulté le )
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  35. ↑ Staff, « MM - BepiColombo » [archive du ], Japan Aerospace Exploration Agency, (consulté le )
  36. ↑ K. H. Glassmeier et al., « The fluxgate magnetometer of the BepiColombo Mercury Planetary Orbiter », Planet. Space Sci., vol. 58, nos 1–2,‎ , p. 287–299 (DOI 10.1016/j.pss.2008.06.018, Bibcode 2010P&SS...58..287G)

Annexes

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