la-fin-du-monde.fr

Suivez la fin du monde en direct

Dossier : Tempêtes solaire 3/4

NewsRevue de Net / PressePosté par le 1/31/12 • Classé dans News,Revue de Net / Presse

Dossier : Tempêtes solaire 3/4Suite de notre dossier sur les « tempêtes solaires » et des réponses de l’astrophysicien Guillaume Aulanier. Aujourd’hui, « l’événement de Carrington » en 1859

La-fin-du-monde.fr : Toute personne qui s’est intéressée aux tempêtes solaires à forcement entendu parlé de « l’événement de Carrington » qui eut lieu pendant l’été 1859. Décrite comme la « tempête du siècle » ou « tempête parfaite » selon les auteurs, elle frappe les esprits par ses conséquences terrestres (ou « Geomagnetically Induced Currents » (GIC) comme nous l’avons appris dans la réponse précédente). Les plus frappantes de ces conséquences concernent le réseau télégraphique (à l’époque la seule infrastructure de ce type) dont certaines stations prirent feu et dont certains opérateurs furent frappés par des décharges électriques.
Je ne reviendrais pas sur le pronostic d’une date possible pour qu’une tempête solaire comparable se produise de nouveau (cf. 1re partie), mais quelles seraient les conséquences d’un tel événement aujourd’hui dans un monde devenu hautement dépendant de ses infrastructures technologiques ?

Guillaume Aulanier : Avant tout, il convient de bien rappeler une chose importante. L’événement de Carrington est survenu il y a plus de 150 ans. C’était une autre époque.
Côté physique, les plasmas n’étaient pas vraiment connus. Côté astrophysique, les CME n’étaient pas connues, donc pas observées. En effet, elles n’ont été découvertes que dans les années 1970. Et elles ne sont observées de façon régulière que depuis 1996. Côté observations, les instruments de l’époque n’étaient ni aussi performants, ni aussi nombreux qu’aujourd’hui. L’ensemble des données d’observation disponibles pour cet événement est donc très incomplet.

Dossier : Tempêtes solaire 3/4De ce fait, la plupart des indices modernes qui permettent de caractériser le degré de géoeffectivité d’une éruption solaire sont assez mal estimés pour cet événement de 1859. Pour certains de ces indices, les incertitudes peuvent facilement conduire à une surestimation d’un facteur 3 (donc une erreur de 300%). C’est le cas pour le flux de rayons X, pour le flux des protons solaires arrivant sur Terre, et pour l’indice Dst de l’orage magnétique qui a suivi l’éruption au Soleil. Je reviens plus bas sur les raisons de ces grandes incertitudes.
Ces incertitudes sont très ennuyeuses pour estimer précisément l’effet du même événement sur le monde actuel, ainsi que le caractère unique ou non de cet événement. En effet, de toutes les éruptions solaires et orages magnétiques observées depuis 1859, ce sont très précisément pour ces trois valeurs, les plus incertaines, que l’événement de Carrington est souvent qualifié de la plus grande tempête solaire observée.
Malgré tout, ces incertitudes sont suffisamment petites pour dire que l’événement de Carrington n’était, finalement, pas terriblement plus énergétique que d’autres qui ont lieu depuis, si tant est qu’il ait réellement été plus énergétique. De plus, aucune des valeurs qui ont été évaluées, pour tous les indices qui le caractérisent, ne sont suffisamment élevées pour produire les effets apocalyptiques que l’on peut lire ou entendre ici ou là. Pour que ces derniers arrivent, il faudrait un événement développant des énergies plus fortes de plusieurs ordres de grandeur (c’est-à-dire plusieurs puissances de dix).
Il est néanmoins important de caractériser cet événement. En effet, il a sûrement été un des plus spectaculaires. Avec 10 ou 20 autres, il fait partie de l’ensemble qui est aujourd’hui étudié, afin de comprendre les conditions d’une météorologie de l’espace extrême qui peut se reproduire.

Dossier : Tempêtes solaire 3/4

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dans lesquelles Richard Christopher Carrington publia ses observations. Source : adsabs.harvard.edu

Commençons donc par discuter des incertitudes sur les rayons X, et de leurs effets.
Il n’y avait pas en 1859 d’observation du Soleil en rayons X-mous (SXR), ceux-là mêmes qui servent aujourd’hui à classifier les éruptions. Les rayons X n’allaient être découverts que plusieurs décennies après. Par contre, les crochets magnétiques terrestres, liés aux SXR, étaient bien observés et mesurés avec une grande précision. De plus, Carrington avait observé des embrillancements solaires directement en lumière blanche. L’analyse de ces deux observations conduit à penser aujourd’hui que l’éruption de 1859 était au moins de la classe X10. Il y en eu d’autres depuis. Les évaluations les plus optimistes (ou pessimistes, selon le point de vue) le portent à la classe X40 ou X60. À comparer avec l’éruption du 4 novembre 2003, de classe X28, donc entre 30 et 50 % moins énergétique que celle de 1859.

Dossier : Tempêtes solaire 3/4

Courbe de la composante horizontale du champ magnétique terrestre relevée à l'observatoire de Kew les 1er et 2 septembre 1859, montrant le crochet magnétique à 11 h 15 UT du 1er septembre et la tempête géomagnétique qui a suivi 17,6 heures plus tard. Source : "The 1859 Solar–Terrestrial Disturbance and the Current Limits of Extreme Space Weather Activity," by E. W. Cliver and L. Svalgaard, Solar Physics (2004)

On peut en déduire que les effets des rayonnements X de l’événement de Carrington, sur la thermosphère et l’ionosphère, devraient être du même ordre de grandeur, voire de 2 à 3 plus forts (en étant pessimiste), que ce qui s’est produit fin 2003. L’éruption de Carrington, arrivant aujourd’hui, aurait donc des perturbations certaines, mais temporaires, sur les communications radio au sol, comme avec nos satellites mis en orbite autour de la Terre (ce qui inclut GPS et autres satellites de communication).
Aussi, elle serait dangereuse pour des astronautes. Tout ceci serait très gênant pendant quelques heures, tout au plus. Mais ça pourrait être critique, lors d’opérations ponctuelles impliquant l’usage de satellites ou le décollage de véhicules spatiaux. Malgré tout, ces effets seraient totalement imperceptibles au sol, grâce à l’atmosphère terrestre.
Passons à présent la question des protons solaires.
Les détecteurs de particules n’existaient pas en 1859. On ne connaissait même pas le proton, dont on peut dater la découverte à un demi-siècle après. On n’avait donc pas non plus inventé le terme de GLE. Le flux de protons pour cet événement n’est estimé aujourd’hui qu’à partir des traces indirectes qu’il a laissé dans les glaces profondes aux pôles terrestres. L’exploitation de ces traces suggère que le flux de protons arrivant à la Terre, pour l’éruption de Carrington, serait entre 2 et 3 fois supérieures à celui produit par d’autres événements à protons, comme le 14 juillet 2000 et le 28 octobre 2003, et qu’il serait à tout à fait similaire à ceux des deux événements à protons majeurs, le 20 janvier 2005 (le plus fort GLE connu) et le 23 janvier 2012 (cette semaine). Malheureusement, la formation de ces traces est loin d’être comprise, quantitativement.
Le flux des protons de 1859 est donc, en fait, très mal estimé.  On peut donc prendre le GLE de 2005 comme étalon pour déduire les effets contemporains des protons de l’éruption de Carrington : quelques satellites seraient temporairement inopérationnels, d’autres verraient leur électronique irrémédiablement endommagée, et il faudrait empêcher tous les vols d’avion de passer au milieu de l’ovale auroral à leur altitude de croisière habituelle. Une particularité est que, puisque l’ovale auroral était bien plus étendu en 1859 qu’en 2005, un simple détournement des vols d’avion aux plus hautes latitudes pourrait ne pas suffire : il faudrait peut-être diminuer l’altitude de croisière d’un très grand nombre de vols, afin d’augmenter la protection naturelle offerte par les couches de l’atmosphère plus denses à basse altitude.

Dossier : Tempêtes solaire 3/4

Ovale auroral - Source : cse.ssl.berkeley.edu

Tout ceci coûterait cher, et demanderait une certaine logistique et une grande réactivité.
A ne pas oublier, des astronautes pris dans le faisceau de protons seraient soumis à des doses de radiation particulièrement élevées, bien plus qu’à bord des avions. Dans l’ISS, ils devraient aller se réfugier dans un compartiment protecteur. Sinon, en orbite basse ils seraient mis en danger, et en dehors de la magnétosphère (par exemple en transit vers la Lune), une exposition à ces particules serait certainement létale.
Ce sont tous ces effets liés aux particules énergétiques solaires qui préoccupent, en priorité, les organismes intéressés à la météorologie de l’espace.
Voyons maintenant les effets géomagnétiques, en incluant l’indice Dst.
Cet indice global, qui mesure l’intensité des orages géomagnétiques, n’existait tout simplement pas en 1859. Des mesures locales du champ géomagnétique existaient, mais elles ne sont pas suffisantes pour évaluer aujourd’hui le Dst avec précision. Certaines mesures de 1859 indiquent des variations locales, pas globales, du champ géomagnétique de 1500 nT.
Avec des modèles un peu ad hoc, ces mesures ont été utilisées pour recalculer un indice Dst de plus de 1700 nT. Du jamais vu : le Dst de l’orage de mars 1989, le plus haut jamais mesuré, était de 550 nT.

Dossier : Tempêtes solaire 3/4

Magnétogramme du 28 aout 1859 réalisé à l'observatoire de Greenwich - Source : geomag.bgs.ac.uk

Cela fait-il de l’orage de Carrington le plus intense jamais observé, et de loin ? Pas sûr. D’une part, avec d’autres modèles, il n’a pas été possible de reproduire l’évolution temporelle d’un Dst d’une telle ampleur. D’autre part, des mesures locales de plus de 1000 nT ont aussi été observées pour d’autres événements depuis 1859, par exemple en 1941.
Or ce même événement de 1941 a eu un Dst égal à 450 nT. C’est 18% moins intense qu’en 1989, et c’est bien inférieur à 1700 nT. La seule chose que l’on puisse donc dire avec certitude, c’est que cet événement est parmi les plus géoeffectifs que l’on n’a jamais observé.
Il existe quand même quelques mesures précises de 1859. On peut en tirer des enseignements pour quantifier les effets contemporains, au niveau du sol, et dans l’espace, pour un événement identique.
Premièrement, on a observé à l’époque un décalage précis en temps de 17.6 heures seulement, entre l’éruption au Soleil et le début de ses effets sur Terre.
Cette mesure nous montre aujourd’hui qu’une CME très rapide a dû être éjectée du Soleil vers la Terre. À ce jour, une seule CME plus rapide a été mise en évidence, en février 1972. Des délais inférieurs à 24h n’ont été observés que pour 10 à 15 CME depuis cet événement (au lieu des 1 à 4 jours habituels). On pense aujourd’hui qu’ils sont dus à des envols de CME en série : les premières CME permettraient de balayer le vent solaire, et donc de limiter le freinage aérodynamique qu’il exerce sur les CME suivantes. On croit que c’est ce qui s’est passé récemment, par exemple pendant les éruptions d’Halloween en 2003 : celles du 28 et du 29 octobre 2003 sont parvenues à la Terre en 20 heures, soit à peine 14% moins vite environ que la CME de 1859. L’éruption de mars 1989, quant à elle, a eu un temps de transit entre le Soleil et la Terre bien plus classique.
Deuxièmement, on a observé en 1859 l’apparition d’aurores à des latitudes aussi basses que 20 degrés.
Des aurores sont rarement observées à des latitudes aussi basses : depuis 1859, seule une dizaine ont été observés à des latitudes inférieures à 45 degrés. Pour donner des exemples, les orages géomagnétiques de février 1872, février 1958, mars 1989, et octobre 2003 ont respectivement produit des aurores à peu près jusqu’à des latitudes de 19, 28, 29 et 40 degrés. C’est important, puisqu’on a vu précédemment que les GLE et les GIC se produisaient au sein de l’ovale auroral. Donc plus ce dernier est grand, plus la zone de risque pour les GLE et les GIC est étendue.

Dossier : Tempêtes solaire 3/4

2 septembre 1859 - 05:00 UTC – Les observatoires de Greenwich et Kew détectent des perturbations magnétiques, la seconde CME arrive sur Terre après 17,5 heures d'un voyage réalisé à 2380 km/s avec une orientation magnétique sud ; des aurores apparaissent au sud aussi bas que le Venezuela.(les points rouges indiquent les lieux où des aurores ont été observées) - Source : scientificamerican.com

J’ai déjà évoqué les effets du GLE prévisible ci-dessus. Voyons donc ce qu’on peut dire au sujet des GIC.
Il est intéressant de remarquer, à titre de comparaison, que depuis la seconde moitié du XXe siècle, les CME de fin 2003 ont été presque aussi rapides que celle de 1859, et qu’elles ont bien produit des GIC, mais que c’est la CME de 1989, plus lente, qui a produit les GIC les plus intenses, et des aurores presque aussi basses qu’en 1859. On voit alors que :

  • d’une part, l’éruption de Carrington n’a pas produit de CME bien plus  rapide, ni des aurores bien plus étendues, que ce que d’autres événements  plus récents ont pu produire depuis (la vitesse de propagation de sa CME et l’étendue de son oval auroral ont tout de même été parmi les plus grandes observées).
  • Mais d’autre part, elle cumule le caractère rapide de la CME, et le caractère  étendu des aurores, qui depuis 1859 n’ont jamais eu lieu en même temps et  avec une telle magnitude, pour un seul et même événement.

Donc, si l’on se réfère aux autres événements que celui de 1859, plus récents et mieux observés, et lorsque l’on considère le caractère rapide de la CME de 1859, ainsi que la grande étendue de sa région aurorale, et aussi son indice Dst probablement très fort, on peut déduire que le même événement que celui de 1859, arrivant aujourd’hui, devrait former sur Terre des GIC d’une amplitude comparable à ceux produits en mars 1989, et peut-être même un peu plus intenses du fait de la grande vitesse de la CME.
On pourrait alors prédire :

  • d’une part des perturbations, ou de petites pannes, du réseau électrique  à plusieurs endroits du globe. C’est déjà arrivé plusieurs fois. Mais  dans ce cas, ces perturbations couvriraient probablement des régions  géographiques plus étendues qu’en 1989 ou 2003. C’est dû au fait que  la région aurorale s’est formée, en 1859, 10 degrés (respectivement,  20 degrés) plus près de l’équateur qu’en 1989 (respectivement, 2003).
  • D’autre part des risques élevés d’avoir des pannes d’une ou plusieurs  heures, aux plus hautes latitudes (si l’on s’en réfère à 1989 et 2003)  du réseau électrique.

Mais du fait de la rareté de ce type d’événement extrême, il est difficile d’évaluer, avec précision, si les développements technologiques, qui ont été faits depuis 1989, réussiraient à empêcher des pannes, et s’ils ne les empêcheraient pas, à quel point ils réussiraient quand même à en limiter la portée.
Par ailleurs, il est malvenu de transposer les dégâts subits par les équipements du télégraphe de la fin du XIXe siècle, suite à l’éruption de 1859, à ce qui pourrait se passer avec des équipements électriques construits dans la seconde moitié du XXe siècle, et plus tard. Les réseaux télégraphiques étaient d’une simplicité tout autre que les réseaux électriques modernes. Même si ces derniers ne sont pourtant pas totalement à l’abri de tout problème, les événements de 1989 et de 2003 le prouvent bien.
Finissons avec un commentaire sur le qualificatif de tempête parfaite, pour l’événement de Carrington.
Cet événement a ceci de remarquable que, lorsqu’on le compare à d’autres événements importants, il est le seul à se situer dans le peloton tête de tous les classements, indice par indice. Tous les autres événements, comme ceux de juillet 2000, octobre et novembre 2003, janvier 2005 et janvier 2012, ne cumulent pas en même temps un indice élevé pour la classe de l’éruption, un flux important de protons arrivant à la Terre, un temps court de transit de la CME, un indice Dst très élevé, et une basse latitude aurorale. C’est cette singularité qui fait de l’événement de Carrington une tempête dite parfaite : tous les ingrédients sont là, en même temps, pour créer d’un seul coup tous les effets terrestres qui se produisent au cours d’autres événements.
Il convient tout de même de rappeler que tous ces ingrédients ne sont pas cumulatifs dans leurs effets physiques. Par exemple, l’amplitude du GLE ne va pas avoir d’effet sur celle du GIC, et inversement. Par contre, ils sont bien cumulatifs sur les coûts impliqués.

Dossier : Tempêtes solaire 3/4

Croquis du groupe de taches solaires à l'origine de la seconde phase de l'éruption solaire, dessiné par Richard Carrington. Les quatre zones labélisées de A à D correspondent aux lieux où sont apparus les flashs de l'éruption brillants en lumière blanche - Source : Wikipédia

Concluons.
A moins d’une énorme surprise -ce dont on est jamais à l’abri en physique- il est peu probable que ce soit la dépendance croissante de l’humanité à l’énergie électrique, et donc que ce soient les GIC, qui constituent la motivation principale dans le développement de recherches en météorologie de l’espace. Aujourd’hui, aucune connaissance scientifique chiffrée ne justifie d’être alarmiste sur cette question. Les GIC n’en restent pas moins gênants, et une attention bien légitime doit leur être portée.
En revanche, vu que les effets physiques et les coûts induits par les éruptions solaires font principalement intervenir l’ionosphère et l’espace, on peut s’attendre à ce que la météorologie de l’espace prenne de plus en plus d’importance au niveau sociétal, au fur et à mesure que nos sociétés utiliseront ou dépendront de plus en plus l’espace, voire lorsqu’elles s’y implanteront.
Les recherches fondamentales et appliquées doivent préparer cela. La surveillance des phénomènes naturels, en l’occurrence du Soleil et l’environnement spatial de la Terre, s’inscrit dans cette démarche. C’est un effort auquel de nombreux scientifiques de plusieurs pays participent.

Sommaire du dossier

Télécharger l’article en PDF : 3e article

Marqué: , , , , , , , , , ,

1 commentaire

  1. Super ce dossier, incroyablement riche, merci.

Laisser un commentaire

IMPORTANT: la modération des commentaires est active et peut différer votre commentaire. Il n'y a aucun besoin de re-poster votre commentaire.