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Le Soleil en lumière de l'hydrogène alpha

Les tempêtes géomagnétiques (VI)

Le champ magnétique d’un Soleil calme réside en général dans le plan de l’écliptique. Mais lorsque des boucles magnétiques se forment dans les éjections de matière coronale (CME), elles présentent de fortes composantes nord-sud. Etant donné que le champ magnétique terrestre se développe dans la direction nord, tous les champs sud entrant se combineront avec lui; plus les champs seront intenses plus ils se déplaceront rapidement, et plus le taux de reconnexions sera élevé et les points de contacts nombreux; bref nous assistons à une forte activité dans la haute atmosphère terrestre, c'est le signe d'une tempête géomagnétique.

Des CME cannibales !

Ainsi la très sérieuse NASA qualifiait-elle des CME capables de rattraper sur leur chemin des CME projetées quelques heures plus tôt. Sur cette image prise le 6 Juin 2001 une CME émise vers 17h rattrape une heure plus tard une autre CME émise vers 12h. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (GIF de 90 Kb). Cliquer ici pour lancer une illustration de ce phénomène (Mpeg de 4.5 Mb). Documents NASA/SOHO/ESA et NASA-GSFC.

Sans ces reconnexions, le champ magnétique terrestre agit comme un bouclier face au vent solaire; c’est la magnétosphère. Elle est suffisamment robuste pour bloquer les pires rayonnements solaires mais elle n'est pas rigide ni imperméable. Ces reconnexions sont capables de briser cette barrière permettant au vent solaire de pénétrer dans la magnétosphère à une vitesse proportionnelle à la vitesse des reconnexions. A travers une succession de processus magnétosphériques, les courants entrant gagnent de l’énergie et favorisent l’apparition des aurores dans une action combinée du vent solaire et des particules locales. Il est donc juste de dire que les aurores sont provoquées par des particules énergétiques puisqu’elles sont excitées localement, mais elles sont différentes de celles associées aux CME et aux éruptions chromosphériques.

A consulter : Statut temps-réel de l'activité solaire, géomagnétique et des aurores

A gauche, des protubérances éruptives émises après une éruption chromosphérique. A droite, une boucle de plasma post-éruptive observée le 26 juin 1992. Cliquer ici pour lancer une animation de cette boucle. Documents NSO/Sacramento Peak et J.E.Wijk/OCA et al.

L'origine de l'énergie des CME

D'où provient l'énergie magnétique responsable des CME ? On serait tenter de répondre que l'énergie des éruptions provient de la couronne. Mais cette théorie n'explique pas les observations des CME. En examinant la profusion de nouvelles données sur les CME acquises par la sonde spatiale SOHO, James Chen et Jonathan Krall physiciens des plasmas au Naval Research Laboratory ont présenté le 16 novembre 2000 devant un parterre de physiciens de l'American Physical Society une nouvelle théorie selon laquelle l'énergie magnétique responsable de ces éruptions - quelque 1015-1016 g de matière éjectées à plus de 1000 km/s - serait stockée sous la photosphère, loin du feu de la couronne.

Si quelques chercheurs pensent que cette théorie est prématurée et difficile à tester, d'autres applaudissent devant cette nouvelle hypothèse hardie et quelque peu intrigante. La question est d'importance car la compréhension de ces mécanismes passionne bon nombre de chercheurs du fait que ces éruptions ont la capacité d'affecter les communications électroniques et les centrales électriques installées sur Terre. Le fait de connaître l'origine de ces éruptions est donc très important pour améliorer les prévisions numériques et prévoir avec plus de précision les perturbations qu'elles peuvent entraînées.

La photographie de gauche illustre une CME de classe C2 enregistrée par le coronographe spectrométrique LASCO de la sonde spatiale SOHO. A droite, la correspondance numérique dans le nouveau modèle proposant que l'origine des CME se situe plutôt dans la photosphère que dans la couronne. La corrélation est presque parfaite. Document J.Chen et J.Krall/Naval Research Laboratory.

Pour Jonathan Krall "le degré avec lequel les données s'accordent avec la nouvelle théorie est sans précédent". Chen et Krall ont pris en compte des mesures effectuées jusqu'à 30 rayons solaires, données qui furent ensuite minutieusement comparées au modèle théorique. Leurs explications font intervenir le concept de "cordes de flux solaire", des boucles de champs magnétiques géantes prenant racine sous la photosphère.

Selon leur théorie des courants électriques sous-photosphériques (convection, effet dynamo, etc) peuvent s'intensifier le long de telles boucles avant de produire des éruptions. Pendant que ces courant remonteraient en surface, la boucle de champ magnétique s'étendrait, accrochant au passage le plasma (principalement constitué de protons et d'électrons) qu'elle éjecterait dans le milieu interplanétaire.

Selon Krall, une fraction significative de toutes les éruptions solaires - plus de 30 % - seraient provoquées par des boucles de flux. Chen et Krall ont évalué différents mécanismes éruptifs afin de comparer leur modèle aux théories traditionnelles. Le scénario qu'ils proposent est celui qui décrit le mieux les éruptions solaires, y compris les propriétés des nuages magnétiques, des structures du vent solaire interplanétaire qui sont probablement associées aux CME. Etonnamment, comme on le voit ci-dessous, les signatures des particules constituant ces nuages magnétiques suggèrent que les boucles de flux magnétiques issus du Soleil s'étendraient jusqu'à la Terre tout en restant enracinées dans la photosphère !

A voir : Aurora Borealis in 4K UHD

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Cette illustration d'artiste représente une boucle de flux solaire. Elle consiste en une boucle géante de champ magnétique capable, selon la théorie de Chen et Krall, de s'étendre du Soleil (point jaune à gauche) jusqu'à la Terre. Document du Naval Research Laboratory. Réalité ou fiction ? Des observations effectuées en 2007 dans le cadre du programme Themis ont confirmé leur existence.

Ce nouveau modèle a toutefois reçu un accueil mitigé. Selon Leon Golub du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian, le nouveau modèle soulève plus de problèmes qu'il n'en résout alors que les quelques problèmes de "l'ancien paradigme" ont rapidement disparu avec les récents travaux. Terry Forbes de l'Université de New Hampshire rappelle qu'il y a une observation bien acceptée, le fait que la photosphère reste tout à fait passive pendant une éruption. Et quand bien même ces chercheurs prétendraient que ce flux magnétique pourrait être injecté sans perturber la surface solaire, ils doivent encore démontrer le pourquoi de la chose de façon convaincante.

A l'inverse, parmi d'autres spécialistes supportant cette théorie Craig DeForest du centre GSFC de la NASA concluait à l'époque, "A première vue, le modèle de Chen et Krall est aussi plausible que n'importe quelle autre explication posée sur la table et il s'agit certainement d'une idée nouvelle et intéressante. Je suis curieux de voir comment elle se développera et si elle s'accorde avec les observations".

Les aurores au secours des astronomes

C'est alors qu'un évènement survint quelques années plus tard, confortant la théorie de Chen et Krall. Le 23 mars 2007, vers 11h TU, une sous-tempête géomagnétique se développa au-dessus de l'Alaska et du Canada - lieu de prédilection d'apparition des aurores boréales. Durant cet évènement, des aurores en forme de bandes et de rayons verts et blancs sont apparues périodiquement en augmentant d'intensité pour finalement se fragmenter en lueurs multicolores. Un réseau de stations photographiques au sol enregistra l'évènement tandis que 5 micro-satellites collectivement appelés Themis l'ont observé depuis l'espace.

Aurore photographiée par Yiming Hu, à Yukon en Arctique, le 22 novembre 2015 avec un APN Nikon D810 équipé d'un objectif Nikkor 14-24 mm f/2.8. Il s'agit du compositage de 16 photos dont 14 exposées 30 s à 6300 ISO.

"Les aurores sont apparues à l'ouest deux fois plus vite que prévu, traversant 15° de longitude en moins d'une minute", expliqua Vassilis Angelopoulos du JPL, responsable scientifique du programme Themis, "La tempête a traversé l'entiereté du fuseau horaire polaire soit 640 km, en 60 secondes juste." Les images ont révélé une série d'éruptions "staccato", durant chacune 10 minutes. Certaines aurores disparaissaient pendant que d'autres se renforçaient mutuellement.

Selon les chercheurs, la sous-tempête présentait une énergie équivalente à un tremblement de terre de magnitude 5.5. Selon David Sibeck, responsable scientifique du projet au centre Goddard, "Les satellites ont révélé que des boucles magnétiques reliaient l'atmosphère supérieure de la Terre directement au Soleil". Ces boucles pourraient servir de guide d'onde pour le vent solaire, ces particules chargées émises par les trous coronaux du Soleil. Selon Sibeck, les particules du vent solaire semblent se propager le long de ces boucles, fournissant l'énergie aux tempêtes géomagnétiques et aux aurores.

Les satellites avaient détectés les traces de ces boucles auparavant mais un seul satellite ne permettait pas de dessiner la carte de leur structure dans les trois dimensions. Les micro-satellites Themis ont permis de réaliser cet exploit. Le fait d'avoir découvert et décrit "le mécanisme de ces sous-tempêtes va vraiment nous aider à comprendre et à prédire le "temps" dans l'environnement spatial proche de la Terre", a déclaré Angelopoulos.

Cette étude fit l'objet d'un article qui fut présenté le 12 décembre 2007 au meeting d'automne de l'Union Géophysique Américaine (AGU), à San Francisco.

Finalement, Chen et Krall avaient raison.

La tempête de Carrington de 1859

A l'occasion, les CME peuvent occasionner indirectement des dégâts très importants sur Terre et même impacter d'autres planètes. L'évènement de Carrington survenu en septembre 1859 au cours du Cycle solaire 10 nous a prouvé que parfois l'activité solaire pouvait gravement impacter nos installations et parfois notre vie.

Selon une étude de E.W.Cliver et L.Svalgaard publiée en 2005 dans la revue "Solar Physics" (voir aussi cet article en PDF de Hugh Hudson et al. publié en 2011), cette tempête solaire qualifiée de "super-tempête" par les spécialistes, fut probablement le résultat d'une CME accompagnant deux éruptions chromosphériques majeures et successives dont la première fut d'une classe très supérieure à X10. Dans la revue "Space Weather", Pete Riley de la société Predictive Science a estimé en 2012 qu'il y avait 12% de probabilité qu'un phénomène similaire se produise dans la décennie suivante (ce qui ne veut pas dire tous les 10 ans). D'ailleurs, comme on le voit ci-dessous à gauche, la seule super-tempête solaire présentant des conditions proches de celles de Carrington ne s'est manifestée que le 15 juillet 2012 mais heureusement elle ne percuta pas la Terre et c'est à peine si les médias en parlèrent.

Selon les scientifiques, sous la pression du vent solaire, le front de la magnétosheat terrestre recula de 60000 km et se serait réduit à une fine couche turbulente de seulement quelques centaines à quelques milliers de kilomètres d'épaisseur, affaiblissant la protection offerte par le champ magnétique terrestre.

A consulter : The Big CME that Missed Earth (juillet 2012), NASA

A gauche, la super-tempête solaire du 15 juillet 2012 comme la qualifia la NASA mais qui heureusement ne toucha pas la Terre. C'était la plus importante depuis celle de Carrington en 1859. Imaginez que celle de Carrington fut probablement similaire. A droite, les notifications d'aurores polaires pendant la tempête de Carrington la nuit du 2 septembre 1859.

Sous l'effet de ce plasma très chaud (50 millions de K sur le site d'émission), rapide et d'intense énergie, 5% de la couche d'ozone stratosphérique furent détruits, mettant des années pour se construire, tandis que les protons rapides ont fortement interagi avec les atomes et les molécules d'azote et d'oxygène présents dans la haute atmosphère. Ceux-ci ont libéré des neutrons qui formèrent de grandes quantités de nitrates qui retombèrent sur Terre et dont on retrouva les traces au Groenland comme en Antarctique. On estima qu'il tomba en quelques semaines autant de nitrates qu'en 40 ans d'activité du vent solaire !

Comme on le voit ci-dessus à droite, cette éruption exceptionnelle donna lieu à des aurores polaires qui le 2 septembre 1859 furent visibles jusqu'en Amérique centrale, au Vénézuela et aux Açores alors que généralement elles se cantonnent à l'Alaska et au Canada et ne descendent qu'exceptionnellement jusqu'en Floride. Les aurores furent tellement brillantes qu'elles ont réveillé des mineurs chercheurs d'or dans les montagnes Rocheuses qui se sont crus au petit matin (cf. l'article publié en 2008 dans "Scientific American" consacré à l'impact de l'activité solaire).

Cette éruption propagea également des courants électriques dans le sol près des sites chargés d'électricité qui affectèrent les réseaux électriques et télégraphiques. On observa des blackouts jusqu'à des latitudes très basses et on rapporte que certains transformateurs de HT furent saturés et ont explosé, il y eu des décharges électriques dans les lignes télégraphiques qui ont déclenché des incendies, surtension qui fit également fondre certains câbles électriques dont certains déclenchèrent des incendies.

Si l'évènement de Carrington s'était produit aujourd'hui, il ferait bien plus de dégâts car nous sommes devenus très dépendants du réseau électrique (quasi inexistant à l'époque). En effet, aujourd'hui pratiquement tout est alimenté par le réseau électrique, en commençant par les appareils domestiques, les instruments scientifiques, les appareils de monitoring médicaux, les ordinateurs, les terminaux bancaires, les feux de signalisation, l'éclairage routier, les pompes à essence, les pompes à eau, les avions, les trains, les métros, les barrages, les systèmes de sécurité, les portes automatiques, les alarmes, les bornes d'accès, les radars, bref tout ce qui facilite la vie dans un endroit un tant soi peu civilisé. De plus, les infrastructures sont bien plus nombreuses qu'en 1859 et beaucoup de systèmes sont automatisés. En résumé, si une panne importante touche notre réseau électrique à l'échelle régionale ou continentale, c'est toute l'activité socio-économique et financière de pays entiers qui serait à l'arrêt, impactant gravement la survie de centaines de millions de personnes.

Illustration décrivant l'accélération des ions de faible énergie à la plus élevée, conduisant à la formation d'une plume polaire par laquelle l'hydrogène s'échappe de l'atmosphère de Mars. Ce mécanisme pourrait en théorie avoir un impact sur la quantité d'eau présente sur Mars. Document NASA/GSFC adapté par l'auteur.

Une telle éruption aurait endommagé voire détruit nos réseaux globaux de communications avec des blackouts régionaux durant plusieurs jours ou semaines avec des pannes définitives de nombreux satellites. Elle aurait endommagé les lignes aériennes (lignes à haute tension, téléphone, etc.) ou les structures métalliques (gazoducs, pipelines) sur de très longues distances, provoquant localement des incendies d'origine électrique et très difficiles à maîtriser. Cette énergie aurait pu détruire les transformateurs électriques ou les pipelines dans les régions nordiques. Déjà de nos jours, de tels évènements provoquent des dommages se chiffrant en milliards de dollars chaque année. Si une telle CME percutait la Terre, elle pourrait cette fois détruire les transformateurs les plus puissants, ceux que les rares fabricants mettent parfois 2 ans à construire et qu'il n'est pratiquement plus possible de transporter par la route en raison de leurs dimensions et de leur poids. En résumé, il y aurait peu de différences entre l'impact d'une telle CME et l'effet d'une petite bombe EMP.

Mais qu'on se rassure, il faudrait une CME peut-être 10000 fois plus intense que celle de Carrington pour plonger la Terre entière dans le noir et provoquer un chaos mondial.

Dans le système solaire, étant dépourvue de champ magnétique global, Mars subit également de plein fouet les CME qui sont capables d'arracher des ions d'hydrogène ou hydron (H+) de son atmosphère et probablement d'assécher la planète. Ainsi, comme l'expliqua Majd Mayyasi de l'Université de Boston et ses collègues en 2018 dans le journal "Geophysical Research", en septembre 2017 la sonde spatiale MAVEN en orbite autour de Mars détecta indirectement en étudiant le profil de la raie Lyman α de l'hydrogène, une chute de l'abondance de l'hydrogène dans la haute atmosphère de Mars. Les spectres UV ont montré que l'abondance de l'hydrogène chuta de 25% durant ce mois soit un taux de perte qui augmenta d'un facteur 5 par rapport à la normale. Les observations ont montré que Mars avait été percutée par une CME, le profil du CO2 indiquant que la température de la haute atmosphère martienne passa de 206 à 282 K pendant le passage du nuage de plasma, facilitant la libération de l'hydrogène dans l'espace, formant une plume polaire orientée dans la direction du vent solaire comme on le voit à droite.

Par le passé, à l'époque de la prime jeunesse du Soleil, il est probable que de telles phases éruptives se répétèrent régulièrement avec des intensités bien plus fortes, ayant pour effet à long terme d'arracher une grande partie de l'atmosphère de Mars qui était déjà fragilisée par la faible masse de la planète. La perte d'hydrogène a également probablement accéléré la déperdition d'eau à la surface de Mars.

A n'en pas douter, le Soleil nous réservera encore certainement des surprises à l'avenir.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Les éclipses solaires

Le spectre-éclair du Soleil

SSN or the short history of the Smoothed Sunspot Number

Eclipses and the D-layer absorption

Sur Internet

iSolSearch (base de données)

Spaceweather archives (taches solaires, Kp, éruptions, tempêtes, etc)

The International Solar Database (photographies du Soleil prises par des amateurs)

Hydrogen Alpha Solar Observing Program, The Astronomical League

High Powered Solar Observing: Hydrogen-Alpha, ICSTARS

Basic Atomic Spectroscopic Data

Solar Weather Browser (logiciel)

Magazine, articles, cours, thèses et encyclopédie

Living Reviews in Solar Physics (webzine), Springer

Solar Astrophysics, Scholarpedia

Introduction à la physique du Soleil (ou sur HAL, PDF, Cours L3/M1), Jean-Marie Malherbe, Obs.Paris

The Solar Cycle (PDF), David H. Hathaway, Dec 2015

The Shape of the Sunspot Cycle (PDF), David H.Hathaway et al., 1994, NASA

Solar Surface Convection, Åke Nordlund et al, 2009

Coupling from the Photosphere to the Chromosphere and the Corona (PDF), S.Wedemeyer-Böhm et al., Space Science Review, 2009

Stars, Galaxies, and Beyond (PDF), Michael C.McGoodwin/U.Washington, 2012

Investigating jets in the lower-to-mid solar atmosphere. Observations & Numerical Simulations (PDF, Thèse), Eamon Scullion, Armagh Obs., 2010

Physics of the Solar Corona (PDF), Markus J. Ashwanden, LPL/U.Az, 2004

Temporal Evolution of Fine Structures in and around Solar Pores (PDF, txt), Michal Sobotka et al., The Astrophysical Journal, 511, 1, 1999

The classification of sunspot groups, Patrick Siler McIntosh, Solar Physics, 125, 1990

The Physics of Sunspots (Sacramento Peak Observatory Conference Proceedings), 1981

A phenomenological model for disparitions brusques followed by flarelike chromospheric brightenings, Charles Hyder, Solar Physics, 2, 1, 1967

Livres (cf. détails dans ma bibliothèque dont la rubrique Astronomie)

Description approfondie

Magnetohydrodynamics of the Sun, Eric Priest, Cambridge University Press, 2014

Identifying Solar Features (PDF), ch.2 du livre "Observing the Sun" de J.Jenkins

Observing the Sun: A Pocket Field Guide, Jamey L. Jenkins, Springer-Verlag, 2013

Illustrated Glossary for Solar and Solar-Terrestrial Physics, s/dir A. Bruzek et C.J.Durrant, 1977/2011, Reidel

The Cambridge Encyclopedia of the Sun, Kenneth R. Lang, Cambridge University Press, 2001

The Sun from Space, Kenneth Lang, Springer, 2000/2016

Guide to the Sun, Kenneth J.H. Phillips, Cambridge University Press, 1992 (reprint 2008)

Astrophysics of the Sun, Harold Zirin, Cambridge University Press, 1988

The Sun, Charles Young, 1881

Vulgarisation

15 Million Degrees: A Journey to the Centre of the Sun, Lucie Green, Viking, 2016; Penguin Books Ltd, 2017

Observing the Sun, Peter Taylor, Cambridge University Press, 1991/2008

Amateur Telescope Making (Book III, pp.507-593), Albert Ingals, Willmann-Bell, 1996

Le Soleil en face, Pierre Lantos, Masson, 1997

Le Soleil, Pierre Lantos, PUF-Que sais-je ?, 230, 1994

Soleil, Hubert Reeves, Ed. De la Nacelle, 1991

Sous l'étoile Soleil, Jean-Claude Pecker, Fayard, 1984

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