Activité solaire

Activité solaire

Météorologie de l'espace

Aurore australe observé depuis la navette Discovery en mai 1991

La météorologie de lespace (ou météorologie spatiale) est une discipline récente qui sintéresse principalement à l'impact de l'activité solaire sur notre environnement terrestre. Plus exactement : La météorologie de lespace est la discipline qui traite de létat physique et phénoménologique des environnements spatiaux naturels. Au moyen de l'observation, la surveillance, l'analyse et la modélisation, elle vise plusieurs objectifs : d'une part, comprendre et prévoir l'état du Soleil et des environnements interplanétaire ou planétaire, ainsi que les perturbations qui les affectent, quelles soient dorigine solaire ou non; d'autre part, analyser en temps réel ou prévoir d'éventuels effets sur les systèmes biologiques et technologiques (définition adoptée par le portail européen de la météorologie de lespace www.spaceweather.eu).

Cette discipline marque une rupture avec la recherche spatiale classique, car laccent est ici mis sur linteraction entre des milieux différents, allant du cœur solaire à la croûte terrestre, et sur la mise en place dun service opérationnel de prévision, comme en météorologie terrestre. Certains de ces impacts peuvent avoir des conséquences économiquement importantes : satellites artificiels inopérants voire détruits, irradiation des astronautes et des passagers à bord davions de ligne, perturbation du positionnement par satellite, perturbations sur les réseaux de distribution de lélectricité, etc.


Sommaire

Tout part du Soleil

Le Soleil nest pas lastre immuable quon croit. Comme de nombreuses étoiles, il possède une activité cyclique (le cycle solaire) dont la périodicité est de 11 ans environ. Pendant les périodes de maximum dactivité, le nombre de taches solaires est plus élevé et il se produit davantage déruptions solaires. Une telle éruption peut, en quelques minutes, libérer lénergie équivalant à un mois de production humaine. Le surcroît dactivité solaire se traduit aussi par léjection dans lespace de grandes quantités de matière. Les éruptions sont accompagnées de rayonnements intenses dans lultraviolet, en rayons X et en ondes radio. Enfin, le Soleil peut émettre des faisceaux de particules (protons, électrons…) de haute énergie. Quand de telles perturbations sont dirigées vers la Terre, elles viennent perturber lenvironnement terrestre entier dans les minutes ou les heures qui suivent leur émission. Toutes les couches de notre environnement terrestre sont concernées: depuis la magnétosphère (la cavité magnétique qui entoure la Terre à plus de 1000 km daltitude), lionosphère (la couche conductrice située entre 100 et 1000 km environ, et qui joue un rôle essentiel dans la transmissions des ondes radio), à latmosphère neutre (moins de 100 km), et jusque dans la lithosphère.

Les mécanismes physiques

La météorologie de lespace est une science complexe, qui fait intervenir un grand nombre de mécanismes physiques. Presque tout part du Soleil, mais les conditions du milieu spatial sont aussi influencées par le rayonnement cosmique, dorigine extra-solaire.

Il y a trois principaux vecteurs par lesquels le Soleil peut affecter le milieu spatial :

  1. en émettant du rayonnement électromagnétique. Le Soleil émet des ondes électromagnétiques sur une large plage de longueurs donde allant des ondes radio jusquaux rayons X et même aux rayons gamma. Lintensité est cependant la plus forte dans les longueurs donde correspondant à la lumière visible, elle suit de près la loi du corps noir. La variabilité de la radiation solaire est très faible dans le domaine visible. On observe moins de 0,5% de variation relative sur un cycle solaire. Elle croît ensuite rapidement quand on sapproche des petites longueurs donde, dépassant 100% en dessous de 120 nm et même 1 000% en dessous de 30 nm. Les éruptions solaires se manifestent en effet par une intensification rapide du rayonnement dans la gamme des rayons ultra-violets et X, mais aussi en ondes radio. Limage de droite représente le Soleil vu en ultraviolet extrême (longueur donde de 19,5 nm) lors dune forte éruption qui sature une partie du détecteur. Ces ondes électromagnétiques mettent 8 minutes pour atteindre la Terre, elles sont en grande partie absorbées par les hautes couches atmosphériques et plus particulièrement par lionosphère, qui sen trouve ainsi modifiée. Or lionosphère joue un rôle particulier dans la propagation des ondes radio, et influence aussi létat des couches inférieures (stratosphère).
    Flux de protons de haute énergie mesurés par le satellite GOES. Le flux est mesuré pour des protons de plus de 10 MeV, 50 MeV et 100 MeV.
  2. en émettant des particules de grande énergie. Les éruptions solaires ont généralement pour effet daccélérer des particules élémentaires chargées (protons, électrons, noyaux dhélium…) jusquà de hautes énergies, pouvant aisément dépasser 1 MeV. Ces particules se propagent ensuite dans lespace interplanétaire, en suivant les lignes de champ magnétique. Elles sont parfois accélérées davantage par la traversée dondes de choc. Ces particules mettent 30 minutes à 1 heure pour atteindre la Terre. Elles ne pénètrent heureusement guère à lintérieur de la magnétosphère car le champ magnétique terrestre les dévie et fait ainsi office de blindage. Seules les éruptions les plus violentes peuvent être détectées au niveau du sol (surtout à haute latitude) par larrivée de neutrons issus de réactions nucléaires dans latmosphère. Il sagit de Ground Level Enhancements (GLE), dont un des plus puissants sest produit le 20 janvier 2005. Limage de droite illustre laugmentation du flux de protons observée lors dune autre éruption violente, qui sest produite le 2 novembre 2003. Comme léchelle verticale est logarithmique, le flux augmente dun facteur 100 à 1 000 pendant léruption. Des telles éruptions sont plus fréquentes pendant les périodes de forte activité solaire et peu après. La dernière période de forte activité sétendait de 2000 à 2004 environ. Des particules de haute énergie se rencontrent aussi dans les ceintures de rayonnement (ceintures de radiation, ou encore ceintures de Van Allen), une région annulaire qui entoure la Terre et dans la laquelle des particules peuvent rester piégées pendant des mois. Ces particules pénètrent profondément dans la matière et peuvent à la longue causer des dégâts considérables. Les éruptions les plus violentes peuvent tuer un astronaute en quelques minutes, si ce dernier ne se trouve pas à labri.
  3. en émettant des bulles de plasma, et notamment des Ejections Coronales de Masse (CME). Ces éjections de plasma, dont la masse peut atteindre un milliard de tonnes, sont émises régulièrement par le Soleil. Elles sont cependant dix fois plus fréquentes en période de forte activité, il peut y en avoir plusieurs par jour. Une CME dirigée vers la Terre met un à deux jours pour latteindre. En heurtant la magnétosphère, elle rompt le fragile équilibre entre le champ magnétique solaire et le champ géomagnétique. Ce déséquilibre déclenche une chaîne de réactions. On parle alors dorage magnétique, qui se manifeste par des fluctuations du champ géomagnétique. Une des conséquences en est laccélération vers de la Terre de particules issues de la magnétosphère (et non du vent solaire, comment on lentend parfois dire). Linteraction de ces particules avec les hautes couches de latmosphère engendre les fameuses aurores polaires. Les orages magnétiques saccompagnent de nombreux autres effets, dont lintensification des courants dans lionosphère, à des latitudes magnétiques comprises entre 65 et 75 degrés de latitude.

La plupart des mécanismes ci-dessus sont liés, mais ne se produisent pas forcément simultanément. Cest en cela que la météorologie de lespace est une science complexe, dont certains aspects sont encore mal compris et dont la prévision possède encore souvent un caractère empirique. La figure ci-contre illustre les interconnections entre les différents mécanismes physiques. Deux problèmes majeurs sont ici la disparité des échelles de temps sur lesquelles se produisent les phénomènes (de la seconde aux années) et létendue du milieu spatial quil faudrait sonder pour mieux comprendre ces mécanismes dinteraction.

Difficultés inhérentes à la météorologie de lespace

La prévision des conditions du milieu spatial reste une tâche ardue. On sait reconnaître une région active du Soleil susceptible de donner lieu à une éruption. Prédire lintensité et lheure de cette éruption relève en revanche du défi.

Contrairement à la météorologie dite classique les scientifiques disposent dun vaste réseau de stations météorologiques couvrant lensemble de la planète, très peu dinformations sont disponibles pour la météorologie de lespace. La sonde spatiale SoHO, située au point de Lagrange L1, observe en permanence le Soleil et donne, entre autres, de précieuses informations sur les éjections de masse coronales à laide des coronographes LASCO. Il est ainsi possible, avec plus ou moins de difficulté et plus ou moins de précision, de déterminer les caractéristiques (vitesse, direction de propagation, taille) des éjections de masse coronales lorsquelles se situent encore à proximité du Soleil : lors de leur départ. Les éjections de masse coronales voyagent entre le Soleil et la Terre en environ trois jours. Pendant la quasi-totalité de cette période, aucune information nest disponible : Les scientifiques sont comme aveugles.

Ce nest que lorsque la perturbation arrive au niveau point de Lagrange L1 (point situé entre la Terre et le Soleil) se trouvent plusieurs satellites, quon peut savoir sil y aura impact ou non, et quantifier leffet. La perturbation met ensuite moins dune heure à atteindre la Terre. Il reste donc peu de temps pour prendre des mesures.

Lorsque léjection de masse coronale atteint le point de Lagrange L1, plusieurs satellites enregistrent diverses informations telles que la densité, la vitesse, le champ magnétique et la température. Grâce à ces informations, il est possible de prédire les perturbations qui seront engendrées et, le cas échéant, de déclencher une alerte afin de prévenir les personnes concernées.

Un des grands défis de la météorologie de lespace est darriver à prédire les caractéristiques des éjections de masse coronale arrivant sur Terre ainsi que lheure darrivé en se basant sur les donnés des coronographes. Les alertes pourraient alors être données trois jours plus tôt. Pour ce faire, les scientifiques développent des codes informatiques et simulent le trajet de léjection de masse coronale entre le Soleil et la Terre grâce à la théorie de la magnétohydrodynamique. Cette méthode, qui demande lutilisation de superordinateurs nen est encore quà ses premiers balbutiements.

Certaines perturbations sont plus aisément prévisibles. Ainsi, le vent solaire rapide, qui est émis par des trous coronaux du Soleil (régions les lignes de champ magnétique solaire souvrent vers lespace interplanétaire), est lui aussi la cause dorages magnétiques. Or le Soleil tourne sur lui-même en 27 jours environ, si bien que ces perturbations viennent balayer la Terre à des intervalles réguliers. On parle alors dorages récurrents. Ces orages sont généralement plus faibles que ceux produits par les CME, mais, en moyenne, les dégâts causés aux satellites (notamment via des particules énergétiques) sont tout aussi importants.

Comme en météorologie terrestre, il est souvent plus facile de prédire les conditions à long terme quà court terme. Le Soleil suit un cycle dactivité denviron onze ans (le cycle solaire), ce qui permet danticiper les conditions moyennes plusieurs années à lavance. Lamplitude du cycle solaire fluctue cependant, et il semble même avoir les caractéristiques du chaos déterministe. La prévision du prochain pic dactivité solaire, qui nest pas dénué dintérêt économique, fait actuellement lobjet de nombreuses études. On peut espérer dans les prochaines années une lente amélioration des capacités de prédiction, dune part via le développement de méthodes empiriques (faisant notamment appel à de lintelligence artificielle et de techniques de reconnaissance automatique de forme), qui permettent dexploiter au mieux les signes précurseurs, et dautre part avec des modèles physiques. Ces modèles permettent notamment de comprendre comment se développent les taches solaires sous la surface solaires, dans la zone de convection. La simulation numérique constitue ainsi un moyen détude précieux, qui permet de compenser dans une certaine mesure notre manque cruel dobservations.

Les effets

Les variations du milieu spatial peuvent nous affecter de plusieurs façons. Certains effets sont dailleurs connus de longue date, alors que leur origine solaire na été découverte que récemment.

Effets sur les communications

Les ondes électromagnétiques émises entre le sol et les satellites de télécommunication doivent traverser lionosphère, un milieu ionisé qui modifie légèrement. Les gammes de fréquence les plus concernées vont de 10 MHz à 2 GHz environ. Lors dorages magnétiques, déruptions solaires ou dévénements à protons, les caractéristiques de lionosphère changent et la transmission sen trouve affectée. Les ondes peuvent souffrir de dispersion, être fortement voire totalement atténuées ou être réfractées, provoquant alors des interférences. Certains de ces effets peuvent être locaux (quelques kilomètres) et durer quelques minutes alors que dautres (les évènements à protons) affectent les régions polaires pendant plusieurs heures. La plupart sont difficiles à prédire. Dautres perturbations peuvent survenir lors déruptions solaires, quand les ondes radio émises par le Soleil interfèrent directement avec les émissions terrestres. Des instruments comme le radiohéliographe de Nançay permettent de suivre et détudier ces émissions solaires.

Ces effets sont connus des opérateurs de satellites de télécommunication, qui alors se servent de satellite-relais pour transmettre les communications. Ces effets affectent davantage encore les radiocommunications de moyennes et longues distances dans la bande HF, qui est la plus affectée par les variations de lionosphère. Le positionnement par satellites (GPS) est lui aussi concerné. Il arrive occasionnellement que la mesure de la position soit fausse ou que le signal des satellites ne soit plus capté. Plusieurs interruptions du service GPS sont par exemple survenues lors de la guerre du Golfe, perturbant les opérations militaires. Ces dysfonctionnements constituent aujourdhui le principal obstacle à la mise à disposition dun service 100% opérationnel et rendent dautant plus nécessaire lenvoi simultané dinformations pour valider la mesure de la position.

Un autre exemple dévénement est celui survenu en octobre-novembre 2003, , suite à une série déruptions solaires, plusieurs vols transpolaires perdirent pendant plus dune heure le contact radio avec le sol et ne purent se servir du GPS. Les compagnies aériennes concernées prévoient depuis (dans la mesure du possible) des itinéraires de déviation, ce qui entraîne une consommation accrue de carburant et des retards.

Effets sur les satellites et les lanceurs

Pannes informatiques recensées à bord du satellite UoSAT-2

Parmi les effets les mieux documentés en météorologie de lespace, il y a ceux qui concernent les satellites. Les particules énergétiques émises lors déruptions solaires pénètrent profondément à lintérieur de la matière (quelques mm pour les électrons, quelques cm pour les protons), dont ils peuvent à terme dégrader les propriétés. Surtout, elles y accumulent des charges électriques qui finissent par provoquer des claquages. Le matériel informatique y est très sensible. Les effets peuvent être bénins avec par exemple des changements détat dans la mémoire, des bits passent de 0 à 1 ou inversement. Dautres effets peuvent être plus graves, avec la destruction de composants vitaux, comme le système de contrôle dattitude. Dans le premier cas, on peut se contenter de redémarrer lordinateur de bord, ou de basculer sur un système redondant. Dans le second cas, le satellite peut perdre une partie de ses fonctions voire devenir totalement inopérant.

Dans limage de droite, chaque point représente une erreur informatique recensée à bord du satellite anglais UoSat-2 en fonction de son emplacement. Le taux de pannes augmente fortement au-dessus du Brésil, dans une région appelée anomalie Sud Atlantique. Cette région particulière doit son existence à un léger décentrage entre le dipôle magnétique terrestre et laxe de rotation terrestre. Les ceintures de rayonnement sont relativement plus proches de la Terre au-dessus du Brésil, davantage de particules énergétiques pénètrent dans la haute atmosphère. Ces particules sont responsables des pannes informatiques observées à bord dUoSat-2. Un nombre dincidents accru y est aussi observé pour les ordinateurs de bord des avions de ligne.

Représentation des ceintures de rayonnement de la Terre

Limage de droite représente les ceintures de rayonnement, une zone toroïdale qui se peuple de protons et délectrons de haute énergie lors dorages magnétiques. Ces particules peuvent y résider pendant des semaines voire des mois et constituent une menace importante pour les satellites qui traversent ces régions. Cest notamment le cas des satellites NAVSTAR du système GPS et des satellites Galileo.

On estime que plusieurs satellites sont définitivement perdus tous les 10 ans à cause du rayonnement ionisant. Ce chiffre est cependant difficile à établir en labsence de statistiques fiables sur les satellites commerciaux ou militaires. Les orbites les plus concernées sont celles qui se situent dans le vent solaire ( le satellite nest pas protégé par le bouclier magnétique de la magnétosphère et dans les ceintures de rayonnement. La meilleure protection consiste à blinder les circuits sensibles et à utiliser des systèmes redondants. Le même danger guette les lanceurs; on estime que le risque de défaillance dune fusée Ariane 5 lors dun fort événement solaire peut dépasser un pour-cent.

Les satellites sont aussi affectés par le rayonnement UV, qui altère la structure cristalline des panneaux solaires et diminue ainsi leur rendement. Les panneaux solaires perdent typiquement 25% de leur rendement en dix ans, mais une seule éruption solaire peut faire chuter cette valeur de plusieurs pour cents.

Un autre effet concerne lorbitographie. Les objets qui se déplacent sur des orbites basses (typiquement moins de 800 km daltitude) rencontrent une faible résistance de latmosphère, qui les ralentit et leur fait perdre en permanence de laltitude. Lors déruptions solaires ou lors dorages magnétiques, les réchauffements de lionosphère et laugmentation de la densité qui sen suit accélèrent cette perte daltitude. Certains satellites peuvent ainsi perdre plus de 10 km en quelques jours. Ces effets sont particulièrement gênants pour les satellites dobservation de la Terre tels que Spot, dont la position doit être connue avec une grande précision. Ils concernent aussi les débris spatiaux, qui jonchent lespace et constituent une menace permanente pour tout objet dans lespace. Les débris dont la taille dépasse 1 cm sont suivis en permanence par le radar américain de Haystack du NORAD. Or tout changement intempestif dorbite nécessite le re-calcul fastidieux de leur position.

Le problème de la prévision orbitographique se manifesta de façon aiguë lors de la rentrée atmosphérique de la station spatiale russe MIR. Les débris de cette station finirent leur course dans locéan Pacifique le 23 mars 2001, en pleine période dactivité solaire. À cause de cette dernière, il fut très difficile de prévoir le point de chute.

Les besoins en orbitographie concernent la prévision à court terme (heures voire jours) pour se prémunir contre tout changement brutal dorbite, mais aussi la prévision à long terme (années) pour prévoir la quantité de carburant nécessaire pour reprendre de laltitude.

Effets sur les êtres vivants

Les rayonnements ionisants constituent aussi un risque pour les êtres vivants. Il faut faire ici la différence entre le rayonnement dorigine solaire, qui est principalement constitué de protons et délectrons dont lénergie peut atteindre 100 MeV. Ce flux de particules est intermittent et difficilement prévisible. Les éruptions surviennent en lespace de quelques minutes et peuvent durer une heure ou davantage. Le rayonnement cosmique est principalement dorigine extragalactique et lénergie des particules peut facilement dépasser 100 GeV. Ce flux cosmique fluctue peu et ne diminue que de 10 à 25% pendant les périodes de forte activité solaire. Cette diminution est une conséquence des perturbations interplanétaires telles que les éjections de masse coronales, qui sont en moyenne dix fois plus fréquentes en période de forte activité solaire et contribuent alors à disperser le rayonnement cosmique.

Estimation de la dose maximum de rayonnement reçue à 12 km daltitude le 20 janvier 2005, lorsque se produisit une violente éruption solaire. Les doses sont exprimées en millionièmes de Sievert par heure.

Seules les particules les plus énergétiques peuvent traverser le champ magnétique terrestre. Elles pénètrent ensuite dans latmosphère, elles subissent des collisions et provoquent des réactions nucléaires dont les produits (en particulier les neutrons) sont détectés au sol. Les êtres vivants les plus directement concernés sont donc les astronautes, surtout lorsquils ne sont pas protégés par la station spatiale. Une très forte éruption solaire peut provoquer en quelques minutes la mort dun astronaute insuffisamment protégé. Il sen produit en moyenne deux tous les dix ans. Par chance, il ne sen est jamais produit lors des missions Apollo. En revanche, la probabilité den avoir lors dun voyage vers la planète Mars est importante. La solution consiste à prévoir un habitacle blindé dans lengin spatial et à interdire toute activité dans lespace lors de périodes à risque.

Les êtres vivants sur Terre sont aussi exposés aux rayonnements ionisants, mais la contribution extraterrestre y demeure faible. La dose augmente toutefois avec laltitude car latmosphère constitue une deuxième couche protectrice après le champ géomagnétique. Elle augmente également avec la latitude car lefficacité du blindage magnétique est moindre lorsque lon sapproche des pôles. Le personnel navigant et les passagers sont donc sujets à un rayonnement ionisant plus important quau sol. Le Concorde était directement concerné en raison de son altitude de vol élevée (environ 18 km). Cétait dailleurs un des rares avions à être équipé de dosimètres. Aujourdhui, avec les nouvelles réglementations européennes sur les doses maximales que peuvent recevoir le personnel navigant et les femmes enceintes, il est nécessaire deffectuer un suivi des doses reçues. Le calcul de la dose accumulée pendant un vol peut aisément se faire à posteriori, comme le montre par exemple le système SIEVERT. Limage à droite représente la dose horaire estimée par le CERCLe de lobservatoire de Meudon à une altitude de 12 km lors de la violente éruption solaire du 20 janvier 2005. Un passager empruntant un vol à haute latitude recevait ce jour- une portion non négligeable de la dose annuelle maximale admissible en France (5 mSv/an, hors personnes exposées).

Diverses espèces animales (en particulier les pigeons voyageurs) ont la capacité de détecter le champ magnétique terrestre et sen servent pour sorienter. Il semblerait que des pigeons aient été désorientés lors dorages géomagnétiques. Or, en Europe, limpact de tels orages sur lorientation du champ magnétique reste faible, de lordre du degré. Les effets des orages sur les animaux demandent donc à être étayés par des études scientifiques.

Effets sur les réseaux électriques

La nuit du 13 mars 1989, une panne de transformateur survint dans le réseau électrique de Hydro-Québec, entraînant des dysfonctionnements qui, en moins de 90 secondes plongèrent plus de 6 millions de personnes dans lobscurité. Cette panne dura 9 heures et le montant des dégâts fut évalué à 9 milliards de $. Cette panne, qui reste exceptionnelle, est le résultat dun enchaînement dévènements qui démarra par un orage magnétique qui intensifia les courants ionosphériques à haute latitude. Ces derniers engendrèrent par induction dans la croûte terrestre des courants qui vinrent sajouter à ceux circulant normalement dans les transformateurs. Il en résulta la surchauffe de certains transformateurs, qui étaient déjà fortement sollicités.

Image nocturne révélant une aurore polaire au-dessus de lEurope, le 30 octobre 2003.

Limpact des orages magnétique et des courants induits est bien connu des pays situés à haute latitude (Scandinavie, Canada, États-Unis, Nouvelle-Zélande) dont les compagnies délectricité ont depuis pris des mesures pour soulager le réseau en cas de pareil évènement. La Finlande ne semble jamais avoir connu de panne, grâce à une marge de sécurité importante sur la puissance admissible des transformateurs. En revanche, la Suède a connu plusieurs pannes. La plupart de ces pays font appel à des modèles de prévision pour alerter en cas dorage magnétique. Ces prévisions ne sont hélas que dun intérêt limité, car elles se basent sur des mesures prélevées dans le vent solaire, entre le Soleil et la Terre, et laissent quune heure de préavis.

Les mêmes courants induits peuvent affecter les oléoducs et les gazoducs, entraînant une corrosion accrue. Des dysfonctionnements ont aussi été signalés dans la signalisation des réseaux ferroviaires. Ces effets sont les plus prononcés dans la zone dite aurorale, située entre 65 et 75° de latitude magnétique. Or comme le pôle magnétique est décalé de 11° environ du pôle géographique, la Sibérie est relativement peu affectée, alors que le nord des États-Unis lest davantage, à latitude géographique égale. Lors de forts orages magnétiques, ces effets peuvent se ressentir jusquà plus basse latitude. Limage de droite montre une aurore polaire observée la nuit du 30 octobre 2003 par le satellite militaire DMSP. Cette aurore fut observée jusquen Belgique, en Allemagne et en Pologne, et engendra de forts courants induits jusque dans le sud de la Scandinavie. Aujourdhui, avec la forte interconnexion des réseaux électriques européens, le dysfonctionnement dune partie du réseau nest plus un problème régional, mais peut affecter plusieurs pays.

Effets sur le climat

Le Soleil est la principale source dénergie de notre planète et il est dès lors normal de chercher des causes solaires aux variations climatiques. De nombreuses études scientifiques ont montré que lors des deux derniers millénaires, les périodes de faible activité solaire (absence de taches solaires) ont coïncidé avec un refroidissement général du globe. Un des plus marqués sur le minimum de Maunder entre 1645 et 1715, aussi connu sous le petit âge glaciaire. Plusieurs études ont aussi signalé une recrudescence de lactivité solaire au cours du vingtième siècle, avec notamment une augmentation du champ magnétique, dont les conséquences sur Terre sont pour linstant mal connues.

Contribution énergétique du Soleil au réchauffement climatique, daprès les chiffres publiés en 2007 par le GIEC. La contribution des différents mécanismes qui refroidissent ou réchauffent est exprimée en W/m²

Lapport énergétique solaire par rayonnement arrivant à l'atmosphère terrestre est exprimé par la constante solaire, dont la valeur moyenne est de 1367 W/m². Cette quantité nest mesurée que depuis 1976 et varie seulement de quelques pour milles entre les périodes de forte et de faible activité solaire. On estime que la contribution directe du rayonnement solaire au réchauffement climatique actuel nest que de 3 à 18%, avec des incertitudes sur la valeur exacte (cf. figure à droite). Ces chiffres sont issus du rapport 2007 du Groupe dexperts intergouvernemental sur lévolution du climat (GIEC).

Les mécanismes sont complexes, fortement interconnectés et peuvent parfois avoir des effets opposés. Ainsi, lactivité solaire pourrait indirectement entraîner une hausse ou une baisse de la température terrestre. Une faible activité tend en effet à augmenter le rayonnement cosmique (les particules étant moins dispersées par le milieu interplanétaire). Or le rayonnement cosmique accélère la formation de nuages à certaines altitudes via le mécanisme de nucléation, qui déclenche la condensation. Ces nuages peuvent aussi bien contribuer à retenir le rayonnement infrarouge émis par la Terre, provoquant ainsi une hausse de la température, ou bien à réfléchir les rayons provenant du soleil, provoquant ainsi une baisse de la température. Les nuages en basse altitude provoqueraient un refroidissement tandis que les nuages en haute altitude aurait un rôle plus ambigu[1].

Le lien entre activité solaire et climat reste mal connu même si la signature de la périodicité de 11 ans du cycle solaire se retrouve dans de très nombreuses observations sur Terre: dans la température, la pression, la pluviosité, mais aussi dans la circulation des vents, la date de début des vendanges, etc. Le rayonnement ultra-violet joue ici probablement un rôle important. La contribution énergétique de cette partie du spectre solaire est très faible, mais sa variabilité est nettement plus forte que dans la lumière visible, se situe la grande partie de lapport en énergie. Or le rayonnement ultraviolet est principalement absorbé dans lionosphère et linteraction de celle-ci avec les plus couches atmosphériques inférieures comme la mésosphère et la stratosphère) est peu connue. À ce propos, des phénomènes lumineux éphémères très brefs ont été observés dès 1990 au-dessus de zones orageuses. Il sagit notamment de décharges électriques, qui pourraient servir de relais entre la basse ionosphère et la stratosphère, et ainsi rendre compte des échanges dénergie entre ces deux milieux. Le futur microsatellite Taranis du CNES sera dédié à létude de ces phénomènes.

Autres effets

Il existe de nombreux autres effets liés à la météorologie de lespace. Les perturbations du champ géomagnétique affectent aussi les forages pétroliers, pour lesquels le guidage précis du trépan se fait généralement à laide du champ magnétique. Les compagnies de réassurance sont indirectement concernées. Lassurance dun satellite représente aujourdhui une part importante du coût dune mission spatiale. Or il est évidemment intéressant pour une compagnie de pouvoir faire la différence entre les risques imprévisibles et ceux qui sont le sont pas. Citons enfin les pigeons voyageurs, dont le sens dorientation est affecté par les orages magnétiques.

La météorologie de lespace na pas que des effets néfastes. Les aurores polaires ont de tout temps exercé une fascination sur les hommes. De nombreux touristes recourent aujourdhui à des prévisions payantes de lactivité aurorale pour préparer leur voyage dans les régions aurorales.

Historique de la discipline

  • 1859 : Le 1 septembre, lastronome Richard Carrington observait un groupe important de taches solaires, quand tout dun coup "deux points intensément lumineux et blancs sont apparus." Carrington venait dobserver une éruption (flare) particulièrement violente, rarement visible en lumière blanche. 17 heures plus tard, lenvironnement terrestre fut fortement perturbé, déclenchant des aurores jusquà basse latitude, et de nombreuses perturbations dans le réseau télégraphique. Carrington fut un des premiers à faire le rapprochement entre ce qui sétait passé sur le Soleil et les répercussions sur Terre.
  • 1969 : Dans le cadre du programme Apollo, la NASA crée un service de surveillance de lenvironnement terrestre pour déterminer le risque dirradiation des astronautes. Ceux-ci sont en effet exposés à des doses de rayonnement importantes en fonctions des régions traversées (notamment les ceintures de rayonnement) et lors déruptions solaires. Ce service de la NASA marqua un premier pas vers la compréhension et la prévision des risques associés au milieu spatial.
  • 1990 : Le Space Environment Center (Boulder, États-Unis) récolte les données provenant de divers instruments sur le sol et dans lespace, dans le but de caractériser le milieu spatial, et devient le principal centre de prévision du milieu spatial. Cest aussi le seul à fonctionner 24h/24h et à pouvoir ainsi être qualifié dopérationnel. Ce centre fonctionnement en collaboration étroite avec lUS Air Force, pour qui la connaissance permanente de lenvironnement spatial devient un enjeu stratégique.
  • 1995 : Le satellite scientifique SoHO, dédié à lobservation du Soleil, vient bouleverser notre compréhension de cet astre et révèle à la fois la violence et la complexité des mécanismes éruptifs.
  • 1999 : La NASA lance le projetLiving With a Star” (LWS), comprenant une flottille des satellites pour observer de la Terre et du Soleil. Pour la première fois, des satellites scientifiques ont vocation à alimenter un service opérationnel de létude du milieu spatial : les données doivent être disponibles en temps réel et sans interruption. Dès 2003 ce programme est rebaptisé International Living With a Star (ILWS) et inclut désormais des missions européennes, japonaises et chinoises. Le premier satellite (et aussi le plus gros) a rentrer dans le cadre de ce programme est Solar Dynamics Observatory, qui sera lancé en été 2008; il sert à lobservation permanente du Soleil.
  • 1999 : LAgence spatiale européenne (ESA) mandate deux consortiums pour concevoir un programme de service européen de météorologie de lespace. Les conclusions sont rendues deux ans plus tard. La communauté scientifique émet un message fort pour que soit mis sur pied un réseau européen de prévision ainsi quun ensemble de satellites dobservations. Mais le marché nest pas encore mûr et beaucoup dutilisateurs potentiels ne sont pas prêts à investir dans un tel service. Il y a aussi un problème politique : un tel service doit-il être assuré par lESA ou par la Communauté européenne ? La situation aux États-Unis est très différente, le budget spatial est comparativement plus important et larmée est fortement impliquée. LESA décide pour linstant de financer une série de projets pilote.
  • 2004 : Des scientifiques européens montent le programme COST724, dont le but est de fédérer les activités de différents pays européens dans le domaine de la météorologie de lespace. Ce programme sachève en 2007 avec la mise en ligne dun portail internet, qui regroupe notamment tous les partenaires.
  • 2007 : De nombreux pays financent des projets de recherche consacrés à la météorologie de lespace. Plusieurs sondes spatiales vont bientôt permettre détudier de nouveaux aspects des relations Soleil-Terre. Il sagit de projets européens (PICARD, PROBA2), voire internationaux (STEREO,SDO, HINODE…). On reste cependant encore très loin dun programme opérationnel qui délivrerait des projets destinés aux utilisateurs, comme cest le cas en météorologie terrestre.

Quel lien avec la météorologie terrestre ?

La météorologie de lespace et la météorologie terrestre possèdent de nombreux points communs. Dans les deux cas, lobjectif est de surveiller notre environnement pour en prédire lévolution dans des buts économiques, scientifiques mais aussi stratégiques. La météorologie terrestre a réellement pris son essor dans les années 1970, lorsque les satellites dobservation offrirent enfin une vision globale de latmosphère terrestre et la prévision numérique du temps devint un outil incontournable. Il lui fallut cependant plusieurs décennies pour évoluer dun service à vocation scientifique vers un service opérationnel apte à délivrer des produits pour le grand public.

La situation actuelle en météorologie de l'espace est comparable à celle qui prévalut en météorologie terrestre dans les années 1960. Même sil y a une prise de conscience de son importance et des conséquences économiques, la compréhension scientifique reste encore limitée et le manque de moyens dobservation adéquats reste un obstacle majeur. De fait, il existe aujourdhui très peu de produits adaptés aux utilisateurs car les prévisions manquent de fiabilité et/ou ne peuvent pas être fournies suffisamment à l'avance.

Notons aussi quelques différences importantes entre météorologie de l'espace et météorologie terrestre. La première ne peut pas se faire à léchelle régionale et nécessite la prise en compte de lhéliosphère entière. Un programme spatial de météorologie de l'espace ne peut se concevoir qu'à l'échelle internationale.

Météorologie spatiale ou météorologie de l'espace ?

Les deux appellations météorologie spatiale et météorologie de l'espace sont souvent utilisées de manière interchangeable. La première est cependant déjà utilisée pour désigner le traitement de données spatiales à des fins de météorologie terrestre, et devrait donc être évitée. Les anglophones parlent de space weather, un terme qui est apparu dans les années 1980. On assiste aussi aujourdhui à l'émergence de la climatologie de l'espace, qui sintéresse plus particulièrement aux effets à long terme.

Références

  1. Henrik Svensmark, Influence of Cosmic Rays on the Earth's Climate[1]

Voir aussi

Liens externes
  • (en) SoHO Space Weather : lactivité solaire en temps réel, à partir du satellite SoHO
  • (en) ESA Space Weather : le portail de lESA sur la météorologie de l'espace
  • www.spaceweather.eu : portail européen multilingue de la météorologie de lespace, avec documents en français.
  • Le Soleil et la Terre, site du CEA sur certains des mécanismes physiques de lactivité solaire.
  • (en) spaceweather.com : site américain dinformation sur la météorologie de lespace et lactivité solaire
  • (en) spaceweathercenter.org: idem
  • (en) Regional Warning Center Sweden : exemple de centre de prédiction d'activité géomagnétique en Suède (Lund).
  • (en) "Space Weather" sur en.wikipedia.org
  • SIDC : le centre belge de prévision de lactivité solaire.
  • PICARD : présentation du microsatellite du CNES qui sera lancé en 2009 et qui servira entre autres à mesurer la variation du diamètre solaire.
  • (en) Les observations du satellite SOHO sur le site de la NASA
  • (fr)Un site amateur donnant des exemples d'événements solaires se produisant quand les conditions météorologiques terrestres surprennent les prévisionnistes [2]. L'ingénieur astronome français Albert Nodon avait déjà entrepris des observations en ce sens au début du siècle dernier.
Bibliographie
  • J. Lilensten et J. Bornarel, Sous les feux du Soleil : vers une météorologie de lespace, EDP Sciences, 2001 (vulgarisation sur les effets sociétaux de la météorologie de lespace).
  • J. Lilensten et P.-L. Blelly, Du Soleil à la Terre : aéronomie et météorologie de lespace, EDP Sciences, 2000 (ouvrage sur l'aéronomie, avec une partie sur limpact de lactivité solaire).
  • J. Lilensten, Vers une météorologie spatiale, article paru dans le journal du CNRS. -télécharger-.
  • P. Lantos, Le Soleil en face, Masson, 1997 (excellent ouvrage scientifique sur le Soleil, accessible à un large public).
  • K. R. Lang, Le Soleil et ses relations avec la Terre, Springer, 1995 (richement illustré, mais un peu démodé).
  • J.-C. Boudenot, LEnvironnement spatial, Que sais-je ?, 1995 (un livre précurseur sur les risques dans lenvironnement spatial).
  • T. Encrenaz et al., Le Système solaire, Interéditions/Editions du CNRS, 2003 (ouvrage scientifique sur le système solaire).
  • La Recherche, hors série numéro 15 sur le Soleil, 2005. -lien-.
  • P. Lantos et T. Amari, Éruptions solaires et météorologie de lespace, Pour la science, 284, 2001, pp. 54-61.


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