L’environnement spatial de la Terre Météorologie de l’espace

27/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2014-2:19642
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Résumé

L’environnement spatial de la Terre Météorologie de l’espace

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REE N°2/2014 59 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT Karl-Ludwig Klein Astronome au LESIA, Observatoire de Paris La Terre est évidemment exposée au rayonne- ment du Soleil. Nous connaissons cela pour les rayon- nements visible et IR. Mais, comme nous l’avons vu dans l’article qui précède, la couronne solaire émet d’autres rayonnements électromagnétiques, radio, UV, EUV et X, en plus du flot de particules électri- quement chargées qui constituent le vent solaire. Ces émissions varient avec le cycle d’activité du Soleil et comprennent aussi des sursauts, des bouffées de particules de haute énergie et des éjections de matière et de champ magnétique (abréviation en an- glais : CME, pour coronal mass ejection). Toutes ces émanations sont susceptibles d’atteindre le voisinage de la Terre. Les rayons X, EUV et radio sont les plus rapides à arriver, après un voyage d’environ huit minutes en ligne droite. Les particules de haute énergie accélé- rées lors de certaines éruptions–protons, quelques noyaux lourds, électrons –suivent quelques minutes ou dizaines de minutes plus tard. Les champs magné- tiques éjectés lors d’une éjection de masse rapide mettent, quant à eux, un à deux jours pour parvenir à la Terre. Le vent solaire permanent met entre deux et cinq jours, selon qu’il s’agit du vent rapide ou lent. La Terre est donc exposée aux flots variables de rayonnement et de particules chargées et aux éjec- tions du champ magnétique solaire. Et pourtant, le Soleil nous apparaît comme une étoile bien calme. Il l’est en fait, puisque la vie a réussi à se dévelop- per sur Terre dans cet environnement. C’est grâce au rôle protecteur de l’atmosphère et du champ magné- tique de la Terre. L’impact des émissions solaires et de leur variabilité devient toutefois évident dans la haute atmosphère et la magnétosphère de la Terre et d’autres planètes. En effet, les émissions X et EUV1 du Soleil sont absorbées dans l’atmosphère terrestre. Le champ magnétique de la Terre empêche le vent solaire et les éjections de masse d’entrer, puisqu’il réfléchit les particules électriquement chargées – à l’exception d’une petite région autour des pôles du champ magnétique. Les régions d’interaction entre l’atmosphère et le champ magnétique de la Terre et les émissions solaires forment l’environnement spatial de la Terre. Les boucliers de la Terre : champ magnétique et atmosphère La figure 1 représente schématiquement le sys- tème Soleil-Terre et les différentes émissions de la couronne. Les tailles et distances ne sont pas à l’échelle. La couronne solaire est représentée par un cliché en EUV. Le dessin montre schématiquement les principales perturbations solaires de l’environne- ment spatial de la Terre : les rayons X et EUV émis par le gaz de la couronne, en particulier par le gaz dense confiné dans les régions actives, qui apparaissent par- 1 EUV : Extrême ultra-violet. L’environnement spatial de la Terre Météorologie de l’espace The outer atmosphere of the Sun – the corona and the solar wind – are nearby laboratories for astrophysics, but they also affect the ionised and magnetised environment of the Earth and other planets. While the Earth's magnetic field and atmos- phere prevent most solar perturbations from reaching the ground, extreme solar events are still a hazard, conducive to satellite malfunctioning, disturbance of communications and GNSS systems using radio waves, and to the interruption of power lines in the exposed regions of the Earth at high latitudes. Solar disturbances are also a potential risk for astronauts. The term "space weather" describes these hazards. Research in space weather addresses the interaction between solar processes and the Earth's magnetosphere and high atmosphere. This article, together with the article about the “space weather”, gives a brief introduction to the solar corona and wind, describes the space environment of the Earth and illustrates how it is affected by the variable emission of photons and charged particles from the Sun. ABSTRACT 60 REE N°2/2014 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT ticulièrement brillantes ; le vent solaire et les particules char- gées de haute énergie qui sont pour l’essentiel déviés par le champ magnétique de la Terre ; les éjections de masse qui peuvent interagir avec le champ magnétique de la Terre. La plupart des perturbations ne sont observables qu’avec des instruments spécifiques, en dehors de la protection que pro- curent l’atmosphère et le champ magnétique de la Terre. Les rayonnements X et UV dans l’atmosphère de la Terre Les rayonnements énergétiques, rayons X et EUV, dé- posent leur énergie dans la haute atmosphère de la Terre. Ceci se fait au travers de processus d’absorption par les atomes et molécules de l’atmosphère et par l’ionisation. L’ab- sorption implique le réchauffement de la haute atmosphère et son expansion. L’atmosphère monte et freine les satellites en orbite basse (quelques centaines de km, comme la sta- tion spatiale internationale). Une forte activité solaire oblige donc les opérateurs de satellites à corriger les orbites plus fréquemment qu’en période de faible activité. Les périodes de forte activité solaire sont ainsi une menace pour la survie des satellites et on a, en 2001, fait chuter la station spatiale MIR avant une période de maximum d’activité, afin d’éviter sa chute incontrôlée au cours de ce maximum. D’autre part, les rayonnements UV-EUV créent les ionos- phères des planètes. Le gros des rayonnements X et EUV du Soleil provient des régions actives et varie donc à différentes échelles temporelles : lentement au cours du cycle d’activité solaire d’environ 11 ans, plus rapidement à la suite de la rota- tion du Soleil en environ 27 jours, et encore plus rapidement, en quelques minutes, lors d’une éruption. Toute cette varia- bilité se retrouve dans la température, la densité et le degré d’ionisation de la haute atmosphère de la Terre. Cette varia- bilité du degré d’ionisation modifie les conditions de propa- gation des ondes hertziennes et affecte les communications tout comme les mesures de position par les systèmes de navigation par satellite, comme les GPS. Déviation des particules chargées par le champ magnétique Le champ magnétique, engendré par des mouvements de fluides conducteurs à l’intérieur de la Terre, ressemble à celui d’un aimant (dipôle) près de la Terre, mais est déformé par le vent solaire à plus grande altitude. Les lignes de champ sont tracées par les lignes bleu-gris épaisses dans le dessin de la figure 1. C’est l’interaction avec le vent solaire qui donne à ce champ magnétique son allure caractéristique : comprimé du côté tourné vers le Soleil, allongé en « queue magnétosphé- rique » dans la direction opposée. Les particules électriquement chargées, comme les pro- tons et électrons, ne peuvent se propager librement en pré- sence d’un champ magnétique : leurs trajectoires s’enroulent autour des lignes de force, comme le montre le schéma à gauche de la figure 2. Le rayon de l’orbite circulaire, appelé Figure 1 : Dessin schématique du système Soleil-Terre et des émissions de la couronne solaire. REE N°2/2014 61 L’environnement spatial de la Terre - Météorologie de l’espace rayon de giration, augmente avec l’énergie de la particule. Une particule chargée arrivant de l’espace va donc rencontrer le champ magnétique de la Terre, faire un demi-tour à l’inté- rieur de la magnétosphère, puis la quitter, si son énergie ne dépasse pas un certain seuil (trajectoire étiquetée Ewww.nmdb.eu. REE N°2/2014 63 L’environnement spatial de la Terre - Météorologie de l’espace Champ magnétique solaire et rayons cosmiques Les variations du champ magnétique solaire sont certes un facteur majeur des perturbations affectant la Terre, mais elles constituent aussi un écran contre les particules chargées venant de l’extérieur du système solaire, le rayonnement cos- mique galactique. La force et la turbulence du champ magné- tique interplanétaire varient au rythme du cycle d’activité du Soleil. L’effet répulsif que le champ magnétique interplané- taire exerce sur les rayons cosmiques est plus fort en période de forte activité, et l’intensité du rayonnement cosmique au voisinage de la Terre est moindre. Cette évolution est illustrée par la figure 4, où l’on compare les évolutions du taux de comptage de quelques moniteurs à neutrons, qui comptent le flux des protons de haute énergie impactant l’atmosphère de la Terre, avec l’évolution de l’indice des taches solaires (courbe gris clair). L’indice des taches mesure le nombre de taches et de groupes de taches dans la photosphère solaire. C’est un indicateur de l’intensité et de la complexité du champ magnétique solaire dans son ensemble, incluant la couronne et l’espace interplanétaire. En comparant les courbes, on voit que l’intensité du rayonnement cosmique a des minima en période de forte activité solaire (par exemple 1981, 1990, 2001) et des maxima lors des minima de l’activité solaire. Le dernier minimum d’activité solaire, autour de 2008, était par- ticulièrement bas, et l’intensité du rayonnement cosmique était la plus élevée depuis des décennies. On parle de la modulation solaire du rayonnement cosmique – un effet que l’on peut assimiler à un potentiel électrostatique répulsif variant avec le cycle solaire, appelé potentiel héliocentrique. Implications biologiques des particules de haute énergie : astronautes, navigation aérienne La pénétration dans l’atmosphère de la Terre de particules énergétiques issues du rayonnement cosmique galactique et de quelques événements solaires particulièrement forts entraîne la cassure de noyaux atomiques et la génération de particules secondaires. Nous l’avions vu plus haut en parlant de l’ionisation de l’atmosphère. Ces particules constituent, pour les êtres vivants, une irradiation dont l’importance aug- mente avec l’altitude. Des astronautes quittant la magné- tosphère terrestre, lors d’un vol vers la Lune ou la planète Mars, sont pleinement exposés aux bouffées de particules énergétiques. La seule protection actuellement envisageable semble être la construction d’un abri à bord du vaisseau qui doit, pour protéger contre un grand événement solaire, op- poser aux particules solaires une masse de 30 g/cm2 (par exemple une plaque d’aluminium de 11 cm d’épaisseur). La prévision de ces événements et la mise à l’abri des astro- nautes sont un enjeu crucial pour la reprise des vols spatiaux habités. Les événements solaires individuels sont bien moins importants pour le personnel navigant à bord des avions, partiellement protégés par le champ magnétique – moins dans les régions polaires – et par l’atmosphère au-dessus de l’avion. Le rayonnement cosmique galactique, toujours pré- sent, constitue une source supplémentaire d’irradiation pour les équipages, notamment ceux survolant fréquemment les pôles. A titre d’exemple, la dose d’irradiation typique lors d’un vol Paris-San Francisco est d’environ 2-3 % de la dose moyenne que nous recevons au sol en France en un an. Il faut souligner que cet effet biologique est cumulatif : c’est l’exposition répétitive ou de longue durée du personnel de l’aviation au rayonnement cosmique qui est à surveiller. Les estimations et mesures des dernières décennies montrent qu’une forte éruption solaire peut doubler la dose reçue lors d’un vol transatlantique – mais des éruptions produisant des particules à très haute énergie sont rares (une par an en moyenne). Champ magnétique du vent solaire et champ magnétique de la Terre L’interaction du vent solaire avec le champ magnétique de la Terre donne à la magnétosphère terrestre sa forme carac- téristique (figure 1) : son côté aplati tourné vers le Soleil et sa queue allongée dans la direction opposée. Cette magnétos- phère n’est pas statique : elle est exposée aux fluctuations du vent solaire, avec des pressions différentes selon que c’est un courant rapide ou lent, et avec des « bourrasques » lors des arrivées d’éjections de masse. Le champ magnétique de la magnétosphère peut, dans certains cas, se reconnecter avec le champ magnétique interplanétaire. C’est le cas lorsque le vent solaire apporte un champ magnétique de polarité qui est opposée à celui de la Terre à l’endroit de l’impact, c’est- à-dire en général sur la face du champ magnétique terrestre tournée vers le Soleil. Les deux champs magnétiques peuvent alors se re- connecter dans la région indiquée par le cercle foncé du dessin de la figure 5(a). Les lignes de force indépendantes (vent solaire) et (Terre) reconnectent pour former deux lignes de champ ancrées d’un côté dans la Terre et s’éten- dant de l’autre côté dans le vent solaire (figure 5(b)). Le vent solaire, poursuivant son chemin autour de la magnétosphère, emportera ces nouvelles lignes de force autour de la Terre et les ajoutera à la queue magnétosphérique (figures 5(c) et(d)). La compression du champ magnétique terrestre du côté minuit, indiquée par les flèches (figure 5(e)) traduit l’apport d’énergie à la queue de la magnétosphère. Comme le champ magnétique a des orientations opposées de part et 64 REE N°2/2014 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT d’autre d’un plan au centre de la queue de la magnétosphère, la reconnexion magnétique peut y être induite de la même façon qu’entre le vent solaire et la magnétosphère côté jour. Ceci entraîne des événements explosifs de libération d’éner- gie – les sous-orages magnétiques. Des particules sont accé- lérées dans la queue de la magnétosphère et peuvent se précipiter vers l’atmosphère. Les électrons excitent alors les atomes et molécules de la haute atmosphère, générant les aurores boréales et australes. Les sous-orages magnétiques sont la conséquence du vent solaire permanent. Dans le cas de perturbations très fortes, notamment par des éjections de masse, des orages géomagnétiques constituent une per- turbation en profondeur de la magnétosphère qui peut dans des cas extrêmes induire des aurores visibles en France, voire plus au Sud. Lors des orages géomagnétiques, tout le système de cou- rants électriques circulant dans la magnétosphère est per- turbé. Cela entraîne des conséquences au sol de la Terre, par l’induction de différences de potentiel entre différents points. Si l’on pose donc des conducteurs électriques au sol, qu’il s’agisse de câbles électriques ou de lignes de haute tension avec leurs transformateurs, les courants vont s’écouler le long de ces dispositifs. Ils peuvent perturber les signaux passant par les câbles (ce qui causait des problèmes de communi- cations d’abord en télégraphie, puis en téléphonie intercon- tinentale) ou même endommager les transformateurs des Figure 5 : Dessins schématiques de l’interaction entre le champ magnétique de la Terre et du vent solaire. Seulement la composante du vecteur champ magnétique interplanétaire qui est orthogonale au plan de l’orbite terrestre est dessinée. La séquence illustre l’évolution entre (a) l’existence de deux lignes de force distinctes du vent solaire (flèche jaune) et de la Terre (courbe verte) et (d) l’arrivée des lignes de force reconnectées dans la queue de la magnétosphère. REE N°2/2014 65 L’environnement spatial de la Terre - Météorologie de l’espace lignes de haute tension, causant des interruptions (plusieurs cas remarquables en Amérique du Nord, USA et Canada). Qu’est-ce que la « météorologie de l’espace » ? Il s’ensuit de ce qui vient d’être dit que les émissions de la couronne, qu’il s’agisse d’ondes électromagnétiques, de par- ticules du vent solaire, de particules de haute énergie ou du champ magnétique, interagissent avec la magnétosphère et la haute atmosphère des planètes, en particulier de la Terre. Les conséquences sont multiples, allant de la perturbation des or- bites de satellites à celle des communications par ondes hert- ziennes et de la transmission d’énergie électrique par les lignes de haute tension dans les régions proches des pôles magné- tiques : l’activité solaire a des conséquences sur la technolo- gie et sur la vie quotidienne des sociétés qui en dépendent. L’analyse scientifique et la prévision de ces phénomènes est appelée météorologie de l’espace. Il s’agit d’un problème complexe : les effets des perturbations solaires sont rarement directs, et les relations de cause à effet sont d’autant plus difficiles à saisir que les effets ont lieu bas dans l’atmosphère. L’effet d’une perturbation donnée dépend, en dehors de son intensité intrinsèque, de la localisation au Soleil et des conditions du milieu interplanétaire. Il y a de ce fait certains effets systématiques, tels que l’augmentation des rayonne- ments X et UV avec le nombre de taches ou d’autres indica- teurs de l’activité magnétique du Soleil, qui sont prévisibles. D’autres effets, notamment l’occurrence ou l’intensité des éruptions, éjections de masse ou événements à particules, sont sporadiques et échappent, pour l’instant, à la prévision détaillée. En revanche, on peut développer des schémas de prévision à court terme pour prévoir, à partir d’une émission électromagnétique au Soleil, l’arrivée de perturbations à la Terre. On a alors un préavis qui est 0 pour les effets radiatifs, d’une heure pour les particules énergétiques, d’un jour pour une éjection de masse très rapide. Ces approches de prévi- sion peuvent exploiter des observations radio au sol – la sta- tion de radioastronomie de Nançay (département du Cher) y contribue activement, tout comme les moniteurs à neutrons – et par des observations de rayonnement radio, X et EUV et des mesures in situ à bord de satellites. Le développement de ces activités intéresse des utilisateurs en dehors de la com- munauté scientifique : la surveillance des doses de radiation pour l’aviation civile est une activité mondiale. L’aviation civile commence également à mettre en place un système de pré- vision pour les communications dans l’ionosphère polaire. L’Armée de l’air française développe un démonstrateur pour la prévision de différents aspects de la météorologie de l’es- pace. Ces activités sont menées en étroite coopération entre recherche et utilisateurs. Elles constituent pour la recherche astrophysique un défi nouveau et précieux au développe- ment de la compréhension des relations Soleil-Terre. La recherche sur les relations Soleil-Terre et la météorolo- gie de l’espace est un sujet d’astrophysique avec des applica- tions qui la débordent. Parmi les acteurs de cette recherche les grandes agences spatiales sont en première ligne. En France, le CNRS, le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), l’Institut Polaire Paul-Emile Victor (IPEV) et l’Obser- vatoire de Paris, notamment avec la station de radioastrono- mie de Nançay, contribuent fortement à ces activités. Karl-Ludwig Klein est chercheur à l’Observatoire de Paris à Meudon (Laboratoire d’études spatiales et d’instrumenta- tion en astrophysique, LESIA, Unité de recherche mixte Ob- servatoire de Paris, CNRS, universités Paris Diderot et Pierre & Marie Curie ; station de radioastronomie de Nançay). Il travaille sur l’activité solaire et sur son lien avec l’accéléra- tion des particules de haute énergie et les perturbations de l’environnement spatial de la Terre. L'AUTEUR