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Un gaz ionisé rempli l'Univers

Il est souvent dit que l'univers est composé à 99% de plasma et que cet état constitue logiquement le quatrième état de la matière (solide, liquide, gazeux et plasma). Cela peut paraître surprenant car sur Terre, cet état n'existe que dans certains cas très précis. Il est possible de rencontrer cet état sous une forme naturelle dans les éclairs d'orage, les aurores boréales, ou bien sous une forme 'artificielle' (c'est-à-dire produite par l'homme) dans les tubes à décharges (lampes,...), les téléviseurs, dans les tokamaks pour la fusion nucléaire,... En dehors de l'environnement terrestre, cet état constitue donc la majeure partie de l'univers visible et peut se rencontrer dans les étoiles, les nébuleuses, les pulsars et les systèmes planétaires. Pour comprendre la grande diversité des plasmas, il est fréquent de représenter leurs propriétés dans un diagramme densité-température (Fig). Nous remarquons que la densité peut varier de 20 ordres de grandeur tandis que la température peut s'échelonner sur 7 ordres de grandeurs, ce sont des variations extrêmement grandes.

Diversité des propriétés plasmas

Diversité des plasmas naturels et artificiels que l'on peut rencontrer

Crédit : (adapté dewikipedia)

Mais qu'est-ce qu'un plasma ?

Considérons l'expérience suivante : une boîte contient un gaz mono-atomique (hydrogène par exemple) à température et pression atmosphérique constante. On suppose que les parois de la boîte sont parfaites et que les atomes frappant la paroi subissent une collision élastique et n'ont pas d'échange chimique avec la paroi. Le comportement de ce gaz obéit à la loi des gaz parfaits. Le comportement de ce gaz peut être décrit par la dynamique des fluides et des équations standard de la dynamique des gaz neutres de Navier-Stokes. Nous chauffons ce gaz à pression constante. Rappelons que la température est directement proportionnelle dans ce cas à l'énergie cinétique moyenne des particules constituant le gaz. A partir d'une température suffisamment élevée (de l'ordre de 1 million de K), les atomes sont ''ionisés''. Par conséquent les électrons sont littéralement arrachés de leur orbite dans l'atome et il est énergétiquement possible pour les électrons et les protons d'exister sous la forme de deux fluides distincts électriquement chargés. Notre gaz d'hydrogène a atteint l'état plasma.

Etat plasma

Représentation schématique des différents états de la matière

Définition

Une description succincte des propriétés plasmas

Dans l'état plasma, la matière est composée, soit totalement soit partiellement, de particules chargées (électrons et ions) qui sont libres et non pas liées comme au sein d'atomes ou molécules. Cela découle simplement du fait que leur énergie cinétique liée au mouvement des particules est plus grande que l'énergie de liaison électrostatique de 13.6 eV ∼ 2 times 10^(-18) J (pour l'hydrogène). Gardons en tête que 1eV, ou un électron volt, est le travail fourni pour déplacer un électron au travers d'une différence de potentiel de un volt. C'est une unité d'énergie très utilisée en physique atomique et physique des plasmas.

Du fait de leur charge électrique, les particules interagissent avec le champ électromagnétique, d'une part parce que le mouvement des particules chargées est régi par le champ magnétique, et d'autre part parce que l'ensemble des particules est lui-même source de champ, par la densité de charge et de courants que ces mouvements entraînent.

Parmi les nombreuses propriétés des plasmas, nous retiendrons d'une part qu'un plasma est globalement électriquement neutre mais que des écarts à la neutralité au niveau microspcopique, qui découle du fait que les particules chargées sont libres, sont susceptibles d'intervenir et d'autre part que les plasmas montrent des comportements collectifs, différents des gaz neutres, régis par les forces électromagnétiques. Ces effets collectifs sont plus importants que les forces Coulombiennes entre particules chargées. Ainsi dans le cas des gaz, les ondes se propagent par l'action de collisions inter-moléculaires tandis que pour un plasma les ions peuvent se propager en l'absence de collisions au moyen de forces électromagnétiques qui agissent à distance sur les particules.

L'étude et le formalisme de la physique des plasmas s'appuient donc sur l'électromagnétisme pour décrire l'évolution du champ électromagnétique, la mécanique pour s'intéresser à la trajectoire de particules individuelles, la physique statistique qui permet de décrire l'évolution d'un grand nombre de particules et la mécanique des fluides pour comprendre le comportement global d'un fluide (électriquement chargé dans ce cas et donc les équations de la mécanique des fluides doivent être couplées avec les équations de Maxwell). La figure résume très schématiquement les interactions entre particules chargées et champ et les formalismes physique mis en jeu.

Relation Plasma

Représentation schématique entre le champ électromagnétique et les particules chargées.

Crédit : R. Modolo

Quelques grandeurs caractéristiques

Une description plus détaillée de la physique des plasmas est disponible à la page suivante. Dans ce chapitre nous nous interessons aux instruments et aux mesures qui permettent de caractériser ce milieu.

Certaines propriétés et caractéristiques de ce milieu sont également présentées telles que :

Nous ferons appel à ces notions dans ce chapitre.

Les observables pour les plasmas

Quelles sont les quantités à mesurer ?

L'étude des plasmas nécessite d'avoir accès aux informations caractérisant le champ électromagnétique et les particules chargées dans la région considérée. Ces informations peuvent être obtenues à l'aide de différentes mesures et leurs instrumentations spécifiques. Comme nous l'avons montré en préambule, la diversité des plasmas est telle que des paramètres comme la densité ou la température varient sur plusieurs ordres de grandeurs. Il n'est de ce fait pas possible avec un unique instrument de couvrir l'ensemble des valeurs possibles.

Pour caractériser les environnements planétaires ionisés, il est nécessaire de décrire/caractériser les quantités suivantes :

Les champs électrique et magnétique, ce sont des paramètres essentiels à mesurer. Les champs électrique et magnétique interviennent dans la dynamique des particules chargées via la force de Lorentz $\mathbf{F} = q \left( \mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B} \right)$ . Une description de l'effet du champ électromagnétique sur une particule chargée est décrit sur le site suivant Ils sont également nécessaires pour caractériser les ondes dans les plasmas. Un exemple de propagation d'onde (caractéristique à la physique des plasmas) faisant intervenir le champ magnétique se trouve au lien suivant NB : L'interprétation des résultats de l'appliquette requiert une assimiliation des concepts de physique plasmas (niveau M1) .
Le flux, l'énergie. Ces informations contribuent à l'étude de la dynamique du plasma dans la région explorée. Ces deux informations sont des mesures quasi-directes obtenues à partir des différents senseurs. Le flux (des particules) consiste à déterminer le nombre de particules qui traversent une unité de surface par unité de temps, cela diffère du flux (magnétique) que nous avons introduit dans un chapitre suivant. L'énergie est directement liée à la vitesse des particules (la vitesse dirigée et la vitesse thermique, i.e. la vitesse liée à l'agitation thermique)
Fonction de distribution et moments. Pour un plasma constitué d'électrons et de différents types d'ions, il est nécessaire de définir la densité pour chacune des espèces et on utilise pour cela une approche statistique. Il est commode de représenter le comportement du plasma par une fonction de distribution $f_s(\mathbf{r};\mathbf{v};t)$ dont l'évolution (en temps et en espace) caractérisera la dynamique de chaque espèce du plasma. La température des particules de l'espèce considérée est directement proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne liée au mouvement aléatoire des particules. A l'équilibre thermique la fonction de distribution de vitesses des particules (de l'espèce considérée) est donnée par une distribution de vitesses de Maxwell-Boltzmann (appelé Maxwellienne, comme pour les gaz neutres). Dans un grand nombre de cas l'analyse et l'interprétation des mesures plasmas requièrent la connaissance des moments de la fonction de distribution (la densité est le pemier moment de la fonction de distribution). Ainsi l'intégration sur l'espace des vitesses de la fonction de distribution permet d'obtenir la densité de l'espèce considérée $n_s(\mathbf{r};t) = \int \!\!\! \int \!\!\! \int f_s(\mathbf{r};\mathbf{v};t)\, d^3\mathbf{v}$ . Il s'agit du moment d'ordre 0. Le moment d'ordre un donnera accès au flux $n_s \mathbf{V} = \int \!\!\! \int \!\!\! \int f_s(\mathbf{r};\mathbf{v},t)\,\mathbf{v}\;d^3\mathbf{v}$ . Et ainsi de suite ...
La composition ionique. La mesure de composition (et charge) du plasma est importante car elle donne une information sur l'origine (la source) du plasma. Il est ainsi possible de différencier les populations d'origine solaire (par exemple les du vent solaire) et les ions d'origine ionosphérique (issus directement ou indirectement de l'ionisation partielle de l'atmosphère de la planète). Par ailleurs la composition a un impact direct sur la densité de masse du plasma. Ainsi même une faible abondance d'un ion lourd à une influence significative sur la densité de masse du plasma.

Nous nous limiterons à l'étude des plasmas naturels rencontrés dans le système solaire. Malgré ces considérations, aucun instrument ne peut couvrir ces larges gammes de densité, énergie, ... il existe donc de nombreux instruments qui permettent d'obtenir des mesures/observations sur une échelle de valeurs restreintes. Nous présentons uniquement un échantillon des possibles instruments embarqués sur les missions spatiales à titre d'illustration.

Quelques instruments de mesures pour les plasmas

Généralités

Les objets du système solaire regroupent une variété d'objets et de régions. Cette diversité se traduit par des régimes de densité, température, vitesse, champ magnétique... pouvant couvrir plusieurs ordres de grandeurs. Les objectifs scientifiques d'une mission spatiale définissent les régions à explorer et contraignent les intervalles de mesures possibles qu'un ou plusieurs instruments doivent couvrir.

Pour illustration, nous prendrons comme exemple la mission Cassini-Huygens qui explore le système de Saturne et ses satellites naturels depuis 2004. Plus d'informations sur la mission sont disponibles sur les sites de la NASA et de l'ESA. En cliquant sur le lien suivant vous revivrez quelques-unes des fantastiques découvertes du système kronien obtenues grâce à la sonde Cassini.

Les instruments plasmas doivent être capables de mesurer les paramètres définis dans le tableau ci-dessous. Nous ne présentons que quelques uns des instruments de la sonde, le tableau est de ce fait incomplet.

Observables et instruments de mesure
Paramètre	Intervalle de valeurs possibles (pour répondre aux objectifs scientifiques)	Instruments considérés	Intervalle de mesures possibles (limitation instrumentale)
Champ magnétique	nT	Magnétomètre continu (fluxgate) (a)	nT
Champ magnétique	nT	Magnétomètre alternatif (search-coil) (b)	nT
Mesures particulaires
Électrons	Énergie : 1eV<E < 100MeV Densité :	Spectromètre électronique(c) (Plasma 'chaud', eV)	0.6eV - 28 keV
		Sonde de Langmuir (b)	Plasma "froid" : E∼ eV Densité : quelques à
Ions	Energie : 1eV<E<100MeV Densité : Masse: m/q = 1 → 400 amu/e	Spectromètre de masse ionique (c)	1eV - 50 keV m/q=1- 400 amu/e

Quelques instruments et leurs caractéristiques

Nous présentons brièvement les instruments mentionnés à la page précédente et leurs principales caractéristiques.

Mesures de champ magnétique
Mesures particulaires
- Spectromètre électronique
- Spectromètre de masse ionique
- Sonde de Langmuir

La sonde spatiale Cassini et quelques-uns de ces instruments

Vue d'artiste de la Sonde Cassini-Huygens

Crédit : Crédit ESA

Mesures magnétiques

Les magnétomètres mesurent l'intensité du champ magnétique $\mathbf{B}$ (mesure scalaire) mais également les composantes B_x , B_y et B_z du champ magnétique (mesure vectorielle). On distinguera les magnétomètres continus (type fluxgate) qui sont sensibles aux bandes passantes 0-60Hz des magnétomètres alternatifs (type search-coil) qui sont eux sensibles aux fréquences plus élevées ( > 100 Hz). Ces derniers sont essentiellement utilisés pour l'étude des ondes.

Il y a de nombreuses méthodes pour effectuer des mesures de champ magnétique. Pour les applications spatiales, tenant compte de la grande diversité des mesures possibles et des contraintes liées aux ressources limitées (poids, puissance), il est fréquent de rencontrer des magnétomètres continus de type fluxgate.

Comme les magnétomètres sont sensibles aux courants électriques et aux composés ferreux, ils sont placés sur des mâts, relativement loin du coeur du satellite (plusieurs mètres). Ils sont souvent accompagnés d'un programme de propreté magnétique pour assurer que le champ magnétique lié au satellite est limité et ne pollue pas les mesures. Les mesures attendues varient de 0.1-3 nT (dans le vent solaire) à plusieurs milliers de nT proche de la planète (si la planète a un champ magnétique intrinsèque fort).

Mesures particulaires

En dépit du fait que les instruments particules utilisés en physique spatiale ont été construits avec diverses géométries et manipulant des combinaisons sur l'énergie des particules, l'état de charge, la masse des particules et l'analyse des espèces, il n'y a en fait que quelques techniques basiques qui permettent de sélectionner des particules avec des propriétés spécifiques. Ils peuvent faire appel à un champ électrostatique, ou à un champ magnétostatique, ou une combinaison de champ électrique et magnétique, ou en déterminant le temps de vol d'une particule sur une distance donnée... pour ne mentionner que ceux-ci.

Lors de la sélection d'un instrument pour une mission particulière ou si l'on souhaite comparer différents instruments plasmas, on regarde essentiellement quelques paramètres clefs. Ceux-ci sont :

La gamme d'énergie (ou de vitesse) couverte par l'nstrument
Le champ de vue de l'instrument (c'est-à-dire sa couverture angulaire)
La résolution dans l'espace des vitesses (norme et direction) : $\left( \frac{\Delta v}{v}, \Delta \Omega \right)$
Le facteur géométrique, qui détermine la sensibilité et la résolution temporelle de l'instrument

Nous nous intéresserons aux quelques instruments suivants :

Mesure des électrons

Les spectromètres électroniques permettent de déterminer la fonction de distribution des électrons des divers milieux traversés. Ces différentes régions se traduisent par des distributions de vitesse extrêmement variées. Ces instruments sont essentiellement constitués de plusieurs fenêtres d'entrées afin d'avoir une couverture angulaire la plus importante possible. Les particules chargées qui rentrent dans le système sont ensuite dirigées vers un analyseur électrostatique qui permet d'effectuer une sélection en énergie puis, en sortie de l'analyseur viennent impacter des galettes de microcanaux couplées à un système électronique qui permettent de compter les impacts et digitaliser les informations.

Ces instruments sont particulièrement utilisés dans les régions où le plasma est ''chaud'', c'est-à-dire dans le contexte des plasmas spatiaux, dont l'énergie est supérieure à une dizaine d'eV (jusqu'à plusieurs dizaine de keV).

Mesure des ions

Tout comme les électrons, les spectromètres ioniques doivent permettre de caractériser les fonction de distribution de cette population du plasma et s'appuient également sur le principe d'analyseurs électrostatiques. Ces instruments doivent couvrir une grande échelle d'énergie et un grand champ de vue (idéalement $4\pi$ stéradians). Par ailleurs la caractérisation des ions nécessite de déterminer la masse de ceux-ci. Différents principes de spectrométrie de masse sont utilisés dans la physique des plasmas spatiaux et nous présenterons deux concepts.

Mesures des particules de basse énergie (Sonde de Langmuir)

Une sonde de Langmuir est une sonde électrostatique qui permet de mesurer, entre autre, la densité et la température électronique et le potentiel du plasma. Cela consiste en une électrode plongée dans le plasma. Pour l'exploration spatiale, cette électrode est située au bout d'un mât, à quelques mètres du corps du satellite. En faisant varier la tension appliquée à la sonde, un courant est collecté. L'analyse de cette réponse permet d'en déduire les propriétés du plasma (densité et température électronique, potentiel du satellite).

Cette technique est utilisée préférentiellement dans une région de plasma dense et ''froid'' ( > eV) tel que les régions ionosphériques.