la-fin-du-monde.fr

Suivez la fin du monde en direct

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

NewsRevue de Net / PressePosté par le 1/27/12 • Classé dans News,Revue de Net / Presse

Dossier : Tempêtes solaire 2/4 Suite de notre dossier sur les « tempêtes solaires » et des réponses de l’astrophysicien Guillaume Aulanier. (Lire le 1er article)
La-fin-du-monde.fr : Maintenant que nous comprenons mieux la question des cycles de l’activité solaire, pouvez-vous nous expliquer les répercussions sur Terre d’une éruption solaire ?

Guillaume Aulanier : En général, les spécialistes des recherches fondamentales en relations Soleil-Terre, comme des recherches appliquées en météorologie de l’espace, s’attachent à étudier les répercussions des éruptions au niveau du sol de la Terre, mais aussi et surtout au niveau des hautes couches de l’atmosphère et de l’environnement spatial de la planète. Pourquoi surtout si haut au-dessus du sol ? Tout simplement car les perturbations des éruptions sont d’autant plus fréquentes et importantes qu’elles apparaissent aux plus hautes altitudes.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

Les éruptions solaires envoient trois types de choses dans l’espace, depuis le Soleil, parfois vers la Terre :

  • des rayonnements lumineux ;
  • des particules énergétiques ; et
  • des nuages de gaz magnétisés appelés éjections de masse coronales (CME).

Prenons-les dans l’ordre. D’abord, la lumière.
Les émissions lumineuses sont isotropes. La Terre reçoit donc la lumière des éruptions où qu’elles aient lieu sur la moitié du Soleil qui lui fait face. Toutes les éruptions émettent dans presque toute la gamme du spectre électromagnétique . Quelle que soit leur énergie, ces rayons lumineux mettent 8 minutes à arriver au niveau de la Terre. Cela veut dire que lorsqu’on commence à observer une éruption, elle a déjà commencé 8 minutes avant.
Plusieurs éruptions produisent des émissions lumineuses dans la gamme radio du spectre électromagnétique. Lorsque le Soleil est bas sur l’horizon, ces ondes radios solaires peuvent être responsables de parasites importants dans les communications radio au sol entre deux stations alignées avec le Soleil. Ces émissions ont d’ailleurs été découvertes pendant la Seconde Guerre mondiale, elles créaient de fausses détections d’attaques aériennes sur la Grande-Bretagne et elles perturbaient les communications des navires dans le Pacifique.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

Le spectre électromagnétique (Source : Wikipédia)

Les embrillancements les plus importants des éruptions, qui sont aussi ceux qui ont les effets terrestres les plus notables, se situent dans les bandes extrêmes ultraviolettes (EUV), X mous (SXR) et X durs (HXR) du spectre électromagnétique. Les éruptions sont classées en fonction de leur luminosité SXR. Les éruptions les moins intenses sont de classe A, puis viennent les B, les M et les X qui sont les plus énergétiques. Chaque classe correspond à des flux lumineux SXR dix fois plus intenses que la classe précédente. La classe X est, elle, une échelle ouverte.

A haute dose, les rayonnements EUV, et surtout SXR et HXR, sont très dangereux pour la santé des êtres vivants. Fort heureusement, leur absorption par les gaz de l’atmosphère terrestre, sur toute son épaisseur, fait qu’ils ne parviennent pas jusqu’au sol. C’est la raison pour laquelle les astronomes doivent envoyer des équipements coûteux dans l’espace, pour observer ces émissions du Soleil. Les EUV et rayons X se propageant dans l’espace, ils peuvent poser un sérieux problème pour les astronautes, notamment pour les éruptions de classes M et X.
Indépendamment des êtes vivants, ces rayonnements ont des effets directs sur les hautes couches diluées de l’atmosphère terrestre. Les rayons EUV, en particulier, ont un impact sur la chimie de la mésosphère et de la thermosphère, à plus de 50km du sol. Ces mêmes EUV ainsi que les SXR ont aussi pour effet de chauffer radiativement la thermosphère au-delà de 100 km d’altitude, qui gonfle en réponse au chauffage. Cela contribue à augmenter de façon temporaire l’épaisseur de l’atmosphère. Ça n’a, pense-t-on, aucun effet au niveau du sol, ni au niveau de l’altitude de croisière des avions (environ 10km), mais ça contribue à freiner les satellites et les stations spatiales que les hommes ont placés en orbite. Il est déjà arrivé que cet effet, cumulé suite à plusieurs éruptions consécutives, conduise à terme à perdre des satellites n’ayant pas de système de surveillance ni de correction orbitale suffisamment efficace.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

L'atmosphère terrestre (Source : Wikipédia)

Les émissions SXR liées aux éruptions solaires les plus fortes créent aussi des courants électriques dans l’ionosphère terrestre. Cela est dû à l’ionisation accrue du gaz due au rayonnement X. Ces courants ionosphériques induisent à leur tour une variation transitoire du champ magnétique terrestre. On appelle cela un crochet magnétique. Les champs induits au niveau du sol terrestre peuvent atteindre plusieurs dizaines de nT (nanoTesla), à comparer au champ géomagnétique moyen qui est de l’ordre de 30,000 (trente mille) nT. Cet effet, qui ne dure que quelques heures, n’est typiquement pas assez long pour induire des courants électriques importants au niveau du sol terrestre. En revanche, l’ionisation accrue de l’ionosphère peut perturber les communications radio, soit à longue distance au sol, soit entre le sol et les satellites. On parle de scintillation ionosphérique. Plusieurs systèmes de communication au sol, et plusieurs opérations satellitaires, ont déjà été ainsi perturbés à cause de ces scintillations.
Pour toutes ces raisons, les variations du flux solaire en EUV et en rayons X, les plus intenses étant dues aux éruptions de classe X, sont très surveillées.

Passons aux particules énergétiques.
Les éruptions solaires, notamment de classes M et X, accélèrent et émettent des particules élémentaires, surtout des électrons, mais aussi des protons et des neutrons. Les énergies atteintes peuvent être supérieures à 10 MégaélectronVolt (MeV), voire plusieurs centaines de MeV pour des éruptions de classe X.
Les particules voyageant moins vite que la lumière, elles arrivent au niveau de la Terre typiquement entre 3 et 30 minutes après la lumière, selon leur énergie. On a donc peu de temps pour se préparer à l’arrivée de ces particules, après avoir constaté le déclenchement d’une éruption au Soleil, mais ce n’est pas impossible.
Hormis les neutrons qui se propagent librement, les protons et les électrons sont chargés électriquement. Leur émission n’est pas isotrope, ni lors de leur accélération, ni au lors de leur propagation. La raison est que la couronne solaire et le milieu interplanétaire sont structurés par des champs magnétiques. Et ces derniers imposent des trajectoires spécifiques aux particules chargées. C’est comme le CERN ou le LHC, dont le champ magnétique impose des mouvements courbes ou circulaires aux particules qu’ils accélèrent. Dans la situation habituelle, la structure du champ magnétique interplanétaire, emporté par le vent solaire, forme une spirale d’Archimède. Cette spirale impose que seules les particules accélérées entre 40 et 70 degrés de longitude solaire Ouest (à droite -pas à gauche- du méridien central) peuvent atteindre la Terre, selon la vitesse locale du vent solaire. Malheureusement, ce critère est peu satisfait pour beaucoup d’éruptions, ce qui le rend peu utilisable pour la prévision. Plusieurs idées liées à la présence de CME ont été proposées pour comprendre pourquoi ce critère n’est pas toujours satisfait, j’y reviens plus bas.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

Le champ magnétique interplanétaire (Source : wattsupwiththat.com)

En tout cas, cela veut dire qu’il n’est pas toujours facile de prédire si une éruption solaire émettra ou non ses particules énergétiques vers la Terre. Quand ça arrive, la plupart des particules solaires sont tout de même arrêtées avant d’atteindre le sol. Elles n’y posent donc pas de risque. Si d’une part le blocage des rayonnements lumineux EUV et X est dû à l’atmosphère terrestre, les particules chargées d’autre part n’arrivent presque jamais au sol car elles ont du mal à pénétrer la magnétosphère terrestre, dont la frontière côté solaire est située plusieurs rayons terrestres de la planète. La raison est que les particules sont fortement confinées aux champs magnétiques interplanétaires, qui ne viennent presque jamais se connecter à la Terre.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

La magnétosphère terrestre (Source : CNES.fr)

Cependant, les particules les plus énergétiques sont plus faiblement confinées par le champ magnétique. Certaines d’entre elles pénètrent donc dans la magnétosphère, et elles atteignent finalement l’atmosphère. Le champ magnétique terrestre tend à les guider préférentiellement vers les hautes latitudes. Ces particules n’atteignent cependant jamais le sol : elles sont désintégrées par des collisions avec les atomes atmosphériques. Les éruptions à proton, typiquement de classe X, produisent alors des gerbes atmosphériques. Les dernières particules produites par ces gerbes finissent par atteindre le sol aux hautes latitudes. On appelle cela un Ground Level Enhancement (GLE). C’est le même processus qui se produit lorsque les rayons cosmiques, autrement plus énergétiques, mais heureusement beaucoup moins nombreux que les particules solaires, atteignent la Terre. Ces rayons cosmiques sont, d’ailleurs, modulés par le cycle solaire : la Terre en reçoit d’autant moins que l’on est proche du pic d’activité, car ils sont défléchis par les champs magnétiques interplanétaires.

L’arrivée des rayons cosmiques et l’occurrence des GLE fait l’objet d’une surveillance permanente : en période de forts flux de particules, les compagnies d’aviation dévient leurs vols transpolaires, afin de limiter les doses d’irradiations que les personnels naviguant pourraient recevoir de façon cumulative ; ceci ne pose pas de problème pour les passagers qui, eux, ne passent que peu de temps à 10km d’altitude au-dessus des régions polaires chaque année. L’Observatoire de Paris contribue à cette surveillance, en tant que responsable scientifique de plusieurs détecteurs de particules installés sur Terre, aux hautes latitudes.
Au niveau de l’espace, les particules solaires, notamment les protons, sont spécialement néfastes pour l’électronique de bord des satellites, et naturellement pour les astronautes. Pour les satellites, les particules issues d’éruptions de classe X (voire M) peuvent engendrer des surtensions temporelles. Certaines se convertissant en commandes erratiques. L’impact des particules peut aussi endommager de manière irréversible des composants embarqués. Certains satellites ont été totalement perdus de ce fait.
Pour les astronautes en orbite terrestre, la protection naturelle offerte par la magnétosphère combinée à l’existence de caissons isolants dans les véhicules spatiaux, permet une protection relativement efficace. Par contre, les vols en dehors de la magnétosphère, par exemple vers la Lune et peut-être un jour vers Mars, ou au-delà, posent de sérieux problèmes. On sait à présent que les astronautes peuvent être exposés à des flux létaux de particules chargées issues des éruptions M et surtout X, au cours de ce type de voyage. On ne le savait pas lors des missions Apollo. Rétrospectivement, les astronautes de ce programme ont eu beaucoup de chance. Cette question devient un enjeu primordial pour l’exploration spatiale lointaine.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

Source : scientificamerican.com

Les particules solaires accélérées par les éruptions sont donc particulièrement gênantes, pas au niveau du sol, mais un peu au niveau des vols transpolaires, et surtout pour les satellites et les hommes envoyés dans l’espace. A ce titre, elles constituent -de loin- les effets les plus importants des éruptions au niveau de la Terre, et font dont l’objet d’études poussées en météorologie de l’espace.

Regardons à présent les nuages de gaz éjectés, que l’on appelle des éjections de masse coronale (CME)
De nombreuses éruptions, mais pas toutes, envoient dans l’espace une CME. Les CME contiennent entre un et dix milliards de tonnes de gaz solaire, et elles quittent le Soleil à des vitesses entre 0.3 et 10 millions de km/h. Lorsqu’une CME est dirigée vers la Terre, elle l’atteint typiquement entre 1 et 4 jours. On a donc le temps de se prémunir de l’arrivée d’une CME.
Mais toutes les CME qui vont vers la Terre n’y produisent pas d’effet notable. Les conditions pour qu’une CME soit géoeffective sont connues, mais elles sont difficilement prévisibles au moment où elles quittent le Soleil. Cependant, certains satellites d’observation mesurent les conditions physiques internes aux CME à 1 million de km en amont de la Terre. Ils permettent donc de connaitre à l’avance si une CME sera géoeffective ou non. Mais l’intervalle de temps entre le passage d’une CME au niveau de ces satellites, et leur arrivée à la Terre, n’est environ que de 20 minutes. On se retrouve donc avec le même délai d’alerte que pour les particules énergétiques, qui sont arrivées entre 1 et 3 jours avant.
La réduction du facteur 30 entre les CME les plus rapides et les plus lentes au niveau du Soleil, jusqu’à un facteur 4 seulement pour leur temps d’arrivée à la Terre, peut paraître surprenante. Il est dû au couplage aérodynamique des CME avec le vent solaire, au cours de leur trajet. Même en l’absence d’éruption solaire, l’espace n’est pas aussi vide qu’on peut le croire.
Les CME emportent avec elles une part des champs magnétiques solaires. On sait que ces champs magnétiques peuvent atteindre 0.2 T en surface, au cœur des taches. Mais lorsqu’une CME a parcouru une distance de 150 millions de km (la distance Soleil-Terre), son expansion dans toutes les directions conduit à diluer, et donc à diminuer son champ magnétique. Selon la CME, ce dernier atteint des valeurs pouvant aller de 5 à 50 nT, au niveau de la Terre.
Plus une éruption est intense, plus elle a des chances de produire une CME. Par contre, de nombreuses CME sont éjectées du Soleil au cours d’éruptions faiblement intenses, du point de vue de la classification A,B,M,X basée sur les émissions en rayons X. Donc contrairement aux rayonnements lumineux et aux flux de particules, les CME dans leur ensemble ne sont pas bien corrélées aux éruptions de classe X. Par contre, les CME les plus rapides et les plus magnétisées sont, elles, plutôt bien corrélées à ces éruptions les plus énergétiques.
Les CME sont plus ou moins directement importantes pour les particules solaires et les GLE évoqués ci-dessus. D’une part, les CME produisent un choc d’étrave dans le milieu interplanétaire. Comme l’éruption solaire elle-même le fait, ce choc peut accélérer des particules énergétiques. Son importance est néanmoins débattue pour les particules aux énergies les plus hautes, donc pour les GLE. D’autre part, une CME constitue une forte perturbation du champ magnétique interplanétaire. Des particules solaires accélérées par une éruption ayant lieu plusieurs heures (ou plusieurs jours) après l’envol d’une CME précédente voient donc leurs trajectoires et leurs temps de parcours fortement modifiés. C’est un aspect de la prédiction des GLE qui commence tout juste à être compris, grâce à des recherches menées notamment à l’Observatoire de Paris. Il est très important pour la météorologie de l’espace, car en période du pic d’activité d’un cycle solaire donné, les éruptions X et les CME tendent à venir par série d’événements successifs. Cela a été le cas, par exemple, pour l’événement de Carrington de 1859 et pour les éruptions d’Halloween de 2003.

Revenons aux CME elles-mêmes, et à leurs effets au niveau de la Terre. Et notons au passage que tous les effets qui suivent peuvent aussi être produits, mais dans une moindre mesure, par des irrégularités du vent solaire.

Le premier effet d’une CME au niveau de la Terre est qu’elle compresse temporairement la magnétosphère et la thermosphère. Plus l’énergie cinétique (donc la masse, et la vitesse) de la CME est grande, plus la compression est forte. À une altitude fixée, cela conduit à augmenter légèrement le champ géomagnétique, et la densité du plasma magnétosphérique. Au niveau du sol, cela se traduit par une augmentation du champ de 10 ou 20 nT seulement (toujours à comparer aux 30,000 nT du champ terrestre habituel). Les autres effets d’une CME dépendent beaucoup de l’orientation de son champ magnétique amont. C’est un paramètre clé qui ne peut pas encore être estimé au moment ou les CME quittent le Soleil. Plus le champ magnétique de la CME tend à être antiparallèle au champ magnétique du côté jour de la magnétosphère, plus la CME va être géoeffective. Ensuite, les effets sont d’autant plus prononcés que l’amplitude du champ magnétique et de la vitesse de la CME sont fortes. L’impact d’une CME géoeffective avec la magnétosphère terrestre produit ce qu’on appelle un orage (ou une tempête, si l’on traduit le terme anglais) géomagnétique. Ces orages comprennent les effets suivants, avec plus ou moins d’amplitude selon la CME.
Quelques particules solaires de la CME réussissent à pénétrer dans la magnétosphère. L’origine de ces fuites fait encore débat, mais il semble qu’il soit lié à des reconnexions du champ magnétique. Ces particules dérivent alors au travers du champ magnétique terrestre. Elles renforcent un courant électrique qui circule naturellement autour de la Terre, dans l’espace. Comme le passage de la CME autour de la Terre dure un jour ou plus, ce courant induit une baisse du champ magnétique terrestre sur cette même durée. Cette baisse qui peut aller à jusqu’à plusieurs centaines de nT. C’est ce que mesure un indice appelé Dst (Disturbance storm time). Les orages géomagnétiques les plus intenses observés à ce jour ont rarement excédé un Dst plus fort que -1000 nT. Cette valeur extrême représente quand même 3% du champ magnétique terrestre, ce qui n’est pas négligeable. Heureusement, le pic de l’indice Dst ne dure que quelques heures au cours d’un orage géomagnétique qui dure, lui, un ou plusieurs jours.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

Reconnexions du champ magnétique - Source : sci.esa.int

Il convient aussi de noter que l’indice Dst, pris seul, n’est pas suffisant pour prédire le déclenchement et l’amplitude des autres effets que je décris ci-dessous ; ces derniers sont dus à d’autres processus physiques, plus locaux, alors que l’intensification du courant annulaire qui produit le Dst est un effet global. Le Ds teste donc un indice intéressant. Mais ce n’est qu’un indice.

La poussée régulière de la CME sur la magnétosphère, pendant un jour ou plus, provoque un étirement progressif de la traînée magnétique de la Terre, du côté nuit. Cette queue magnétique est déjà habituellement allongée, du fait de la pression dynamique du vent solaire. Pourtant, les CME l’étirent encore plus, créant un feuillet étroit de courants électriques. Mais à l’instar d’un chewing-gum que l’on étire entre deux doigts, le feuillet de courants électriques ne peut pas s’étendre à l’infini. Vient un moment où il rompt. Plusieurs théories s’attachent à expliquer cette rupture. Certaines sont basées sur des instabilités dites de ballonnement, d’autres sur des phénomènes plasma de double-couches, d’autres encore sont basées sur la reconnexion magnétique.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

Vue artistique de la magnétosphère déviant le vent solaire (l'échelle n'est pas respectée) (Source : Wikipédia)

Quoi qu’il en soit, lorsque le feuillet se déchire, il accélère un flux de particules issues de la magnétosphère elle-même, et non pas du Soleil, vers le côté nocturne de la surface terrestre. Les énergies de ces particules magnétosphériques, essentiellement des électrons, sont de l’ordre de quelques dizaines de keV (kilo électron Volt). C’est très faible par rapport aux particules solaires accélérées par les éruptions elles-mêmes. Mais c’est suffisant pour produire des courants électriques et des collisions intenses dans les hautes couches de l’atmosphère terrestre. Le mouvement de ces particules magnétosphérique étant, lui aussi, contraint par le champ magnétique terrestre, les particules précipitent essentiellement le long de deux arcs, situés autour des deux pôles terrestres. C’est au niveau de ces deux arcs que se produisent les aurores polaires.
Ce phénomène est appelé un sous-orage magnétique. Les sous-orages peuvent se répéter plusieurs fois au cours d’un même orage. C’est un peu comme la traînée d’un navire, qui se déchire et change plusieurs fois de forme, lorsqu’une grosse vague vient frapper le navire. Pour compliquer l’affaire, il y a aussi parfois des sous-orages en l’absence d’orages.
Lors de la diminution brutale des courants électriques dans le feuillet qui se déchire au cours d’un sous-orage, le champ magnétique varie brutalement à plusieurs rayons terrestres de distance de la planète, du côté nuit. Ses variations lointaines sont transportées vers l’ionosphère terrestre. Elles y perturbent alors le phénomène régulier de convection ionosphérique, essentiellement autour des arcs auroraux. Ces variations de champ magnétique induisent des champs électriques, qui peuvent alors créer des courants électriques transitoires aux hautes latitudes dans l’ionosphère. Notons qu’il existe plusieurs théories concurrentes pour expliquer la formation de tels courants ionosphériques. Dans tous les cas, ces courants induisent à leur tour des champs magnétiques au niveau de la surface terrestre, tout aussi variable. Les variations temporelles du champ géomagnétique créent un champ électrique de surface. C’est cette longue chaîne de processus qui conduit, pense-t-on, à induire finalement des courants électriques à la surface de la Terre, que l’on appelle des courants géomagnétiquement induits (Geomagnetically Induced Currents,  ou GIC).

Dossier : Tempêtes solaire 2/4
Les GIC touchent donc principalement les régions aux grandes latitudes magnétiques. Mais lorsqu’e la quantité de mouvement et/ ou le champ magnétique d’une CME géoeffective est particulièrement intense, les latitudes de formation des arcs auroraux, et donc des GIC, peuvent être plus faibles : on a déjà vu -rarement- des aurores au Sud de l’Europe et des USA.
Au niveau du sol, les GIC se concentrent dans les structures conductrices d’électricité les plus longues, notamment les câbles à haute tension et les pipelines. Du fait du chauffage Ohmique, Dossier : Tempêtes solaire 2/4 notamment, les GIC peu intenses conduisent à des détériorations graduelles et maintenant surveillées de ces équipements. La fréquence des variations de champs magnétique à l’origine des GIC étant de l’ordre du Hz (Hertz), les courants électriques s’y comportent comme des courants directs (DC). C’est très néfaste pour les systèmes électriques, qui sont faits pour transporter du courant alternatif(AC). Des GIC intenses ont donc déjà produit des pannes massives de réseaux électriques. Le plus long (quelques heures) et le plus étendu (presque tout un pays) fut celui de mars 1989, au Québec. D’autres pannes moins spectaculaires, liées à des GIC moins intenses, ont déjà eu lieu dans d’autres pays.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

Dommages irrémédiables provoqués à la centrale nucléaire de Salem (New Jersey) par un orage géomagnétique le 13 mars 1989 (Photo PSE&G Source : NASA)

En 1989, on n’imaginait pas que les orages solaires pouvaient causer des problèmes aussi importants que ceux qu’on a constatés. Aujourd’hui, les pays des deux hémisphères situés aux latitudes magnétiques les plus hautes (ce qui inclue les USA -puisque le pôle magnétique est situé au Canada, et non pas au pôle géographique- mais aussi l’Afrique du Sud par exemple) travaillent donc à se prémunir des GIC causés parles orages magnétiques, en créant des équipements qui y sont moins sensibles. En parallèle, les chercheurs en météorologie de l’espace étudient aussi les éruptions solaires récentes, et revisitent les observations des plus anciennes, afin de définir des méthodes de prédiction des GIC.

Dossier : Tempêtes solaire 2/4

Estimation du champ électrique de surface qui a induit des GIC dans le réseau électrique pendant le pic de la tempête géomagnétique du 30 octobre 2003. Source : BGS (NERC)

Prédire les GIC n’est donc pas une tâche aisée. Mais compte tenu de ce que l’on sait des éruptions solaires et des CME elles-mêmes (en se basant aussi bien sur des arguments théoriques qu’observationnels -j’en ai parlé précédemment), et du fait des adaptations technologiques mises en œuvre depuis 20 ans pour s’en prémunir, on imagine mal qu’un GIC futur puisse faire tomber en panne d’un coup et/ou de façon durable tout le système électrique des pays industrialisés, et créer ainsi des conséquences désastreuses. Par contre, les GIC à venir pourraient très bien créer de nouveaux dommages locaux et temporaires à des installations électriques. Cela implique des coûts de maintenance (et le cas échéant, de réparation) importants. C’est cette dernière raison qui fait que les GIC sont surveillés et étudiés.

Sommaire du dossier

En + :

 

Marqué: , , , , , , , , , , ,

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.