L’effet Zwan-Wolf, un phénomène magnétique habituellement observé dans les planètes à champ magnétique dipolaire stable comme la Terre, a été détecté pour la première fois dans l’atmosphère ténue de Mars. Sur Terre, cet effet contribue à la redirection du vent solaire dans la magnétosphère ; sur Mars, il se produirait plutôt dans l’ionosphère martienne, donc à une altitude plus basse. Ces observations contribuent à améliorer notre compréhension de la météorologie spatiale de la planète, un aspect important pour les futures missions martiennes.
Les vents solaires, les flux de particules chargées émanant du Soleil, sont ralentis ou déviés par divers processus physiques lorsqu’ils rencontrent des obstacles tels que les planètes et les lunes. Ces processus peuvent cependant être très différents selon que les planètes ou les lunes possèdent ou non un champ magnétique dipolaire stable et significatif.
Parmi ces processus figure l’effet Zwan-Wolf, découvert pour la première fois en 1976, et qui, jusqu’à présent, n’avait été observé que dans les magnétosphères planétaires, et non dans leurs atmosphères. Ce phénomène se produit lorsque les particules chargées provenant du vent solaire sont comprimées et déviées le long de structures magnétiques appelées « tubes de flux », un peu à la manière du dentifrice sortant d’un tube.
Ce phénomène de compression s’explique par le fait que, lorsque les tubes de flux magnétique du vent solaire sont convectés vers la planète dans la magnétogaine (la région située entre la magnétopause et l’arc de choc de la magnétosphère), ils sont ensuite comprimés au niveau de la magnétopause, la zone située entre la magnétosphère, dominée par le champ magnétique de la planète, et le milieu interplanétaire, qui est dominé par le vent solaire.
Des observations antérieures suggèrent que l’effet Zwan-Wolf pourrait également être actif sur Saturne et Jupiter. Une nouvelle étude parue dans la revue Nature Communications suggère pour la première fois la présence du phénomène dans une atmosphère planétaire, notamment celle de Mars. Contrairement à la Terre et à d’autres planètes du Système solaire, Mars n’est pas protégée par un champ magnétique global, ce qui influence ses interactions avec le vent solaire.
« Personne ne s’attendait à ce que cet effet puisse se produire dans l’atmosphère », explique, dans un billet de blog de la NASA, Christopher Fowler, professeur adjoint de recherche à l’Université de Virginie-Occidentale à Morgantown et auteur principal de l’étude. « C’est ce qui rend la chose encore plus passionnante. Cela met en lumière des phénomènes physiques intéressants que nous n’avons pas encore explorés et une nouvelle façon dont le Soleil et la météorologie spatiale peuvent modifier la dynamique de l’atmosphère martienne. »
Un phénomène concentré dans l’ionosphère de Mars
Si Mars ne possède pas de champ magnétique stable comme celui de la Terre, elle dispose néanmoins d’une magnétosphère induite, générée par l’interaction du vent solaire avec l’ionosphère. Celle-ci peut subir d’importantes variations de taille et de forme lors de fortes perturbations. C’est précisément ce type d’événement que Fowler et ses collègues ont observé dans les données de la sonde MAVEN, notamment lorsqu’une importante tempête solaire a frappé la planète.
Lancée en novembre 2013, MAVEN s’est placée en orbite autour de Mars en septembre 2014 afin d’explorer sa haute atmosphère, son ionosphère et les interactions de la planète avec le Soleil et le vent solaire, dans le but d’étudier la dissipation de l’atmosphère martienne dans l’espace. L’équipe de Fowler a observé des fluctuations dans les mesures du champ magnétique lorsque la sonde a traversé l’atmosphère martienne.
Afin d’en déterminer l’origine, les chercheurs ont analysé les relevés de plusieurs instruments de la sonde, notamment les mesures de l’environnement de particules chargées dans l’ionosphère. Après avoir écarté plusieurs hypothèses, les analyses ont identifié l’effet Zwan-Wolf comme étant l’origine la plus probable des fluctuations observées.
« En analysant les données, j’ai soudainement remarqué des fluctuations très intéressantes. Je n’aurais jamais imaginé qu’il s’agirait de cet effet, car il n’a jamais été observé auparavant dans une atmosphère planétaire », indique Fowler.
Les données de MAVEN indiquent que l’effet Zwan-Wolf a été observé dans l’ionosphère martienne, située dans la haute atmosphère de la planète, à environ 200 km d’altitude. Les particules chargées présentes dans cette partie de l’atmosphère auraient subi une compression typique de l’effet Zwan-Wolf et se seraient propagées dans l’ensemble de l’atmosphère.
Les observations de l’équipe suggèrent que l’effet Zwan-Wolf pourrait se produire de manière constante dans l’ionosphère martienne, mais à des niveaux indétectables par les instruments de MAVEN. La tempête solaire semble avoir amplifié le phénomène, permettant ainsi à la sonde de le détecter.
La compréhension de ce phénomène pourrait fournir davantage d’indices sur l’histoire évolutive de Mars, notamment sur la manière dont son atmosphère et son climat se sont modifiés au fil du temps, ainsi que sur ceux d’autres corps non magnétisés comme Vénus et Titan, l’une des lunes de Saturne. La prise en compte du phénomène pourrait aussi contribuer à la planification des futures missions vers la planète.
