Pressentie dès les années 1930 par notamment le géophysicien britannique Sydney Chapman, la magnétosphère est la région située au-dessus de l’ionosphère dans laquelle les phénomènes physiques sont dominés et influencés par le champ magnétique. Ce dernier créé une véritable bulle de protection des excès d’énergie du vent solaire, permettant ainsi la vie sur Terre.
Dès le début de la conquête de l’espace, l’exploration de la haute atmosphère et de l’environnement de notre planète est une des principales préoccupations scientifiques. Si les fusées-sondes sont d’abord employées pour lever le voile entourant notre Terre, les satellites deviennent rapidement les meilleurs outils. Ainsi, le premier satellite artificiel américain Explorer 1, lancé le 1er février 1958, prouve l’existence de la ceinture de radiation dite de Van Allen (du nom de son découvreur) dans une zone toroïdale de la magnétosphère. Quelques années plus tard, Explorer 12, lancé le 16 août 1961, mesure l’amplitude et la direction du champ magnétique terrestre entre 3 et 13 rayons terrestres. Le succès de telles missions encourage l’engagement de recherches plus ambitieuses.
En 1971, les agences spatiales américaine (Nasa) et européenne (ESA) regroupent leur projet à travers le programme ISEE (International Sun-Earth Explorer) avec trois satellites construits conjointement par les deux agences. Lancés en 1977-78, ceux-ci observent les interactions entre le vent solaire et la magnétosphère terrestre. Au cours de la décennie suivante, l’ESA conçoit une remarquable mission consistant à étudier en trois dimensions les collisions du vent solaire sur la magnétosphère, et à en suivre dans le temps les variations et les conséquences, à l’aide de quatre satellites Cluster (lancés en juillet et août 2000) intégrés à l’ISTP.
L’International Solar-Terrestrial Physics (ISTP) est un vaste programme scientifique déployé au cours des années 1990, appelant plusieurs Etats à collaborer pour améliorer les connaissances des effets des particules solaires sur l’environnement terrestre. Cinq organisations spatiales s’engagent et construisent onze satellites spécifiques : Soho par l’ESA et la Nasa (observatoire solaire et héliosphérique, lancé en 1995), Wind (vent solaire, 1994) et Polar (magnétopause, 1996) par la Nasa, Equator-S par la Dara allemande (magnétosphère au niveau de l’équateur, 1997), deux Interball-Tail par l’Académie de recherche spatiale (IKI) de l’Académie des sciences de Russie (magnétoqueue à haute altitude, 1995-96), quatre Cluster par l’ESA (évoqués ci-dessus), et le Geotail japonais. Ce dernier, conçu par l’Isas (Institut des sciences spatiales et astronautiques, absorbé en 2003 par l’agence d’exploration aérospatiale Jaxa) en collaboration avec la Nasa, se charge d’étudier la structure et la dynamique de la queue magnétique ou magnétoqueue terrestre, d’où le nom du satellite (Geo / relatif à la Terre, Tail / la queue).
Geotail a la forme d’un cylindre de 1,6 m de hauteur pour un diamètre de 2,2 m et une masse totale de 1009 kg (dont 105 kg pour les instruments scientifiques). Stabilisé par rotation (20 tours par minute), le satellite est doté de deux paires d’antennes filaires de 50 m de long et de deux mâts de 6 m. L’alimentation en énergie est fournie par des cellules solaires fixées sur les parois du satellite. Quant à la charge scientifique, sous la responsabilité du « Japan Geotail Project Manager » Iku Shinohara (physicien des plasmas spatiaux et de la magnétosphère), elle est composée de cinq ensemble d’instruments de mesure : un pour le champ magnétique, un pour le champ électrique, deux pour le plasma, deux pour les particules à haute énergie et un dernier pour les ondes plasma.
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L’ensemble des instruments doit alors déterminer les caractéristiques globales du plasma, des champs électriques et magnétiques de la queue lointaine, mais aussi observer le rôle de la queue dans les phénomènes de sous-orage et dans le bilan énergétique magnétosphérique global. Doivent également être étudiés les processus qui initient la reconnexion du champ magnétique dans la queue proche de la Terre, ainsi que le processus d’entrée, d’excitation et de transport du plasma dans les régions d’interaction.
Lancé le 24 juillet 1992 par une fusée américaine Delta 2 depuis Cape Canaveral, Geotail est placé sur une orbite haute, fortement elliptique couvrant ainsi la magnétosphère sur une vaste distance allant de 8 à 220 rayons terrestres, soit un périgée de 51 300 km pour un apogée de 1 401 620 km. Au cours des années, des manœuvres orbitales sont effectuées faisant évoluer Geotail d’une orbite de queue lointaine (8 à 220 rayons terrestres) à une orbite proche de la queue (8 à 30 rayons terrestres), permettant d’affiner certaines études (gaine magnétique, sous-orages, choc d’étrave, etc.).
Prévu pour une durée de vie initiale de quatre ans, Geotail fonctionne au final pendant trente ans ! Si en 2012 Geotail perd son premier enregistreur de données (pour collecter les informations scientifiques), le second fonctionne jusqu’au 28 juin 2022. Après avoir tenté en vain de poursuivre l’exploitation du satellite, les responsables décident le 28 novembre suivant de le désactiver. Quant au bilan scientifique, il est considérable : le satellite a identifié de nouveaux phénomènes dans la magnétosphère, collecté d’importantes données sur notamment la reconnexion magnétique, sur la génération de particules non thermiques par des ondes de choc, etc. Il a aussi montré que les transferts de flux se déplacent plus rapidement que le milieu ambiant à travers la magnétosphère. Enfin, Geotail a également eu l’occasion de survoler la Lune, ce qui lui a permis d’identifier de l’oxygène, du silicium, du sodium, de l'aluminium dans l'atmosphère (extrêmement ténue) de la Lune.
- Un article : « Geotail (Satellite d’observation magnétosphérique », in Catalogue des missions satellites de l’ESA,
- Le site de la Jaxa sur la mission Geotail,
- Le site de la Nasa sur la mission Geotail.
Philippe Varnoteaux est docteur en histoire, spécialiste des débuts de l’exploration spatiale en France et auteur de plusieurs ouvrages de référence
