Météorologie spatiale

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Cette discipline récente s'intéresse principalement à l'impact de l'activité solaire sur l'environnement terrestre, qu'il s'agisse du climat, des êtres vivants, des satellites artificiels orbitant autour de la planète...

La Terre peut connaître des phénomènes climatiques violents tels que des orages, des ouragans, des tempêtes... Dans l'espace, c'est la même chose. Il existe d'autres types de tempêtes et d'orages : ce sont les tempêtes solaires.

Ces « catastrophes climatiques spatiales » ont des effets qui se répercutent sur tout le Système Solaire. La météorologie spatiale s'intéresse donc aux conséquences de tels événements afin de mieux comprendre l'interaction des particules spatiales et terrestres mais également de mieux prévoir quels risques/dangers ces événements météorologiques représentent pour l'activité terrestre.

Domaine d'étude[modifier | modifier le wikicode]

Définition[modifier | modifier le wikicode]

Les deux termes « météorologie spatiale » & « météorologie de l'espace » désignent en réalité deux choses différentes, bien qu'ils soient utilisés de manière similaire.

En effet, la première appellation désigne le traitement des données récoltées par les satellites en orbite autour de la Terre pour les utiliser en météorologie terrestre classique. La deuxième appellation se concentre sur l'impact de l'activité solaire sur notre environnement terrestre en essayant de prévoir et de quantifier ses impacts.

Méthode de travail / outils utilisés[modifier | modifier le wikicode]

Tour solaire de Meudon 1 blog astronomie

Pour ce faire, les chercheurs disposent de nombreux outils : sondes spatiales, spectrographes, satellites, magnétomètres... En effet, dans ce domaine, tout passe par l'analyse des données récoltées.

On notera, pour l'observation dans le domaine du visible, le spectrographe de la Tour solaire de Meudon en région parisienne (l'un des plus grands au monde) et l'instrument CLIMSO de l'observatoire du Pic-du-Midi qui observe les structures de la couronne solaire.

Dans le domaine des ondes radio, on compte le radiohéliographe du radio télescope de Nançay. On notera également à Nice les instruments d'astrométrie solaire de l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA) depuis 1974. En 2014 le projet PICARD-SOL vient renforcer le Service d'Observation de l'OCA.

Sonde spatiale SoHO

Enfin, au niveau des sondes spatiales, on retiendra la sonde SoHO dont l'objectif principal est d'étudier la structure interne du Soleil ainsi que la façon dont est produit le vent solaire.

Les données récoltées sont ensuite analysées et décortiquées afin de créer des modèles numériques qui sont testés maintes et maintes fois, améliorés, abandonnés, repris pour simuler différents cas d'activité solaire.

Parallèle avec la météorologie classique[modifier | modifier le wikicode]

Contrairement à la météorologie classique qui regarde ce qui se produit à basse altitude et s'intéresse à des variations de pression, d'humidité, température, etc... les astrophysiciens qui travaillent dans le domaine de la météorologie de l'espace surveillent la manière dont les variations de l'activité solaire impactent l'environnement spatial de la Terre. Les objets d'études et les phénomènes physiques étudiés sont donc différents.

Cependant, le fond reste le même : utiliser des cartes, des modèles, des statistiques et les données recueillies pour réussir à prévoir les différentes variations de l'activité solaire et de la météo terrestres et en informer les gens. De plus, la météorologie de l'espace est désormais une branche en développement de l'Organisation Météorologique Mondiale (OMM).

Mais contrairement à la météorologie terrestre où les mécanismes physiques sont assez bien connus, les phénomènes physiques qui ont lieu dans l'espace et dans notre Soleil ne sont pas tous vraiment prédictibles. Ainsi, s'il est facile de reconnaître une région active du Soleil, il est très difficile de prédire l'intensité et l'heure d'une éruption solaire. A l'image d'une éruption volcanique, une éruption solaire est annoncée par plusieurs phénomènes précurseurs et certains de ces signes ne sont pas observables facilement. De plus, bien qu'il existe des moyens de surveiller l'espace et notre Soleil, il y a beaucoup plus de satellites qui surveillent et mesurent le climat de la Terre.

Historique rapide[modifier | modifier le wikicode]

  • 1859 : le 1er Septembre 1859, l'astronome anglais Richard Carrington observe le Soleil et remarque un ensemble de taches sur le Soleil appelées « taches solaires » anormalement grandes apparues quelques jours auparavant. Il observe ce matin là un « éclair » en provenance de ces taches, signe d'une éruption solaire. 17H plus tard, l'éruption solaire (particulièrement violente) atteint la Terre et déclenche des aurores boréales jusqu'à des latitudes assez basses, illuminant le ciel de l'hémisphère Nord
  • 1969 : dans le cadre du projet Apollo, la NASA décide de créer un service voué à déterminer les risques d'irradiation des astronautes, exposés à d'importantes doses de rayonnements, notamment lors d'éruptions solaire.
  • 1995 : lancement du satellite SoHO (pour Solar and Heliospheric Observatory ou Observatoire solaire et héliosphérique) dont l'objectif est d'étudier la structure interne du Soleil, le rôle de la couronne solaire et les processus de création du vent solaire.
  • 1999 : la NASA lance le projet « Living with a Star » dont l'objet est l'étude de l'influence du Soleil sur la Terre. Deux sondes sont lancées dans l'espace en 2010 et 2012.
  • 1999 : l'Agence Spatiale Européenne (ESA) demande une étude afin de concevoir un service européen de météorologie de l'espace. Deux ans plus tard, les résultats sont donnés et la communauté scientifique envoie un message pour que soit mis en place un réseau de prévision et un ensemble de satellites d'observation. Cependant, la situation n'est pas optimale et l'ESA décide pour le moment de ne financer qu'une série de projets pilotes.
  • 2004 : le programme COST724 est lancé dans le but de fédérer les activités des différents pays européens dans le domaine de la météorologie de l'espace. La mise en ligne d'un portail internet en 2007 clôt ce programme.
  • 2010 : une division de l'Armée de l'Air développe un projet nommé FEDOME (pour FEdération des DOnnées de Météorologie de l'Espace) en collaboration avec l'Observatoire de Paris, du Pic-du-Midi et l'Institut Physique du Globe de Paris. Le projet réuni de nombreuses données scientifiques afin de fournir des prévisions opérationnelles impactant la technologie.

Le Soleil[modifier | modifier le wikicode]

Présentation de l'astre[modifier | modifier le wikicode]

Le Soleil est l'unique étoile de notre système solaire. Faisant partie de la catégorie des « naines jaunes », il est constitué majoritairement d'hydrogène et d'hélium. Sa masse monstrueuse de 1.99e10 kg (1.9 milliards de milliards de tonnes) représente 99.85% de la masse du Système Solaire. La structure interne du Soleil est divisée en plusieurs « couches » :

Coupe du Soleil
  • Le noyau : c'est ici, au coeur du Soleil, entre 0 et 0.25 rayon solaire, que se produisent les réactions nucléaires qui transforment l'hydrogène en hélium. Sa température approche les 15 millions de Kelvin.
  • La zone de radiation : située entre 0.25 et 0.7 rayon solaire, la température y atteint 2 millions de Kelvin et il n'y a pas véritablement de mouvement internes de matière (pas de convection thermique) dans cette zone.
  • La zone de convection : cette zone qui s'étend de 0.8 à 1 rayon solaire est séparée de la zone radiative par une couche épaisse de 3000 kilomètres (que l'on appelle la « tachocline »). La température y décroît progressivement, passant de 2 millions K à 6000 K. La matière n'étant ni assez chaude, ni assez dense pour évacuer la chaleur par simple rayonnement, c'est par un mouvement vertical (la convection) que la chaleur remonte jusqu'à la surface où la température est descendue jusqu'à environ 6000 K. La zone convective est composée de région où le plasma (un état de la matière) se soulève et dont l'énergie traverse ensuite la photosphère.
  • La photosphère : couche de gaz qui constitue la surface de l'étoile, sa température moyenne est de 6000 Kelvin et c'est de là qu'est « produite », entre autres, la lumière visible du Soleil.
  • La couronne solaire : étendue sur une distance de plusieurs rayons solaires, la couronne solaire n'est pas une zone physiquement délimitée précisément. En effet, elle s'évanouit progressivement dans l'espace. Cependant, alors que la température de la photosphère n'est « que » de 6000 K, la température de la couronne atteint le million de Kelvin. Cette différence étonnante de température n'est pas encore totalement comprise mais impliquerait un champ magnétique secondaire qui chaufferait les couches de l'atmosphère solaire ou encore l'expulsion de jets de plasma.

L'activité solaire[modifier | modifier le wikicode]

Tâches solaires 2 agence spatiale canadienne

Cycle solaire / cycle de Schwabe[modifier | modifier le wikicode]

On appelle « cycle solaire » la période séparant deux pics d'intensité maximal du Soleil. Lors de ces pics d'intensité, le nombre de taches solaires observées à la surface de notre étoile est beaucoup plus important et le rayonnement émis également. Ces taches solaires, observées en détail pour la première fois par Galilée en 1612, apparaissent dans la photosphère comme des taches noires, dues à leur température plus froide que la photosphère qui les entoure (4500 K v/s 6000 K).

En effet, l'activité du Soleil varie en intensité au long du temps. En 1849 l'astronome suisse Johann Rudolf Wolf tente de calculer l'activité solaire en s'appuyant sur le nombre de taches solaires observées : c'est le nombre de Wolf (ou « Sunspot Number »). Pour cela, Wolf s'est inspiré d'un article publié par l'allemand Heinrich Schwabe. Ce dernier observa le Soleil durant 17 ans en notant les taches solaires observées constata une variation régulière du nombre de taches solaires.

Nombre de taches solaires au fil des années 3 J.M. Malherbe

Il fit alors l'hypothèse de l'existence d'un cycle de 10-11 ans pour lequel chaque début de cycle est marqué par un maximum d'apparition de taches solaires et chaque fin de cycle par un minimum. C'est ce que l'on a appelé le « Cycle de Schwabe » (en vérité, le cycle oscille entre 9 et 14 ans).

Cependant, en lien avec ce cycle, il existe un second cycle, de 22 ans, concernant le champ magnétique du Soleil. En effet, le champ magnétique du Soleil change et tous les 11 ans, les pôles sud et nord magnétiques s'inversent et il faut attendre à nouveau 11 ans pour qu'ils retrouvent leur place (d'où 22 ans). Ces taches solaires sont en fait des manifestations associées aux éruptions solaire durant lesquelles des jets de matière sont projetés de la surface du Soleil à sa couronne.

Schéma d'une tempête solaire 4 crédit : AFP

Vents solaires & orages magnétiques[modifier | modifier le wikicode]

Le vent solaire est un flux de plasma (gaz comportant des particules neutres et d'autres chargées électriquement) éjecté du Soleil. Sa vitesse varie entre 400 km/s et 800 km/s en fonction de l'activité du Soleil : plus son activité est importante, plus la vitesse du vent solaire l'est également.

Ce vent balaie l'ensemble du Système Solaire et la limite à partir de laquelle le vent solaire s'estompe et s'arrête est considéré comme la «frontière» de notre système.

Ce flux de particule projetées dans l'espace interagit avec le champ magnétique terrestre en le compressant à plus ou moins grande intensité selon la vitesse et la température du plasma éjecté. Ces orages magnétiques sont accompagnés de rayons ultraviolets dont une partie traverse les différentes couches de l'atmosphère protectrice de la Terre jusqu'à arriver jusqu'à nous.

En Juillet 2012, une tempête solaire extraordinairement puissante est enregistrée. Heureusement pour nous, la Terre n'était pas dans l'axe direct de la tempête et est passée au travers. Mais si la tempête avait eu lieu une semaine avant, nous aurions été en première ligne et de nombreux dégâts matériels auraient été recensés, surtout dans le domaine électronique.

Rayonnement émis[modifier | modifier le wikicode]

On appelle « rayonnement solaire » l'ensemble des ondes émises par le Soleil. Sous ce terme, on compte le rayonnement électromagnétique, les particules de haute énergie... Il contient aussi du rayonnement dit « cosmique », composé principalement de particules chargées tels des protons, des électrons, des noyaux d'hélium...

Les ondes électromagnétiques couvrent toutes les longueurs d'onde, allant de l'ultraviolet lointain (rayons gamma, etc...) aux ondes radio en passant, bien évidemment, par la lumière visible. Ces ondes émises par notre étoile mettent 8 minutes pour arriver jusqu'à nous et sont grandement absorbées par l'atmosphère terrestre.

Les particules de hautes énergies sont des particules élémentaires chargées (protons, électrons, noyaux d'hélium...) accélérée par les éruptions solaires. Elles se déplacent dans l'espace en suivant les ligne de champ magnétiques et mettent entre 30 minutes et 1 heure pour atteindre la Terre. Heureusement, le champ magnétique terrestre agit comme un blindage et bloque ces particules, sauf en cas d'éruption solaire particulièrement violente, auquel cas on peut retrouver certaines de ces particules au niveau du sol.

Ces particules peuvent aussi se retrouver coincées dans une zone de radiation autour de la Terre durant plusieurs mois. Ces particules pénétrant profondément dans la matière, elle peuvent, à la longue, provoquer des dégâts matériels (sur les satellites par exemple).

Les effets de l'activité solaire[modifier | modifier le wikicode]

Terrestres[modifier | modifier le wikicode]

Effets des rayonnements sur le corps humain 5 Les différentes radiations émises par le Soleil

Sur l'être humain[modifier | modifier le wikicode]

L'être humain étant sensible aux ondes électromagnétiques, on peut imaginer qu'il soit également sensible au champ magnétique terrestre et à l'activité du Soleil.

Il existe des effets scientifiquement prouvés. Une trop longue exposition aux rayonnements très énergétiques sont dangereux pour le corps humain. En effet, ils peuvent provoquer des cancers, abîmer nos cellules et provoquer des mutations de l'ADN.

Le Professeur Raymond Wheeler, de l'Université du Kansas, a démontré que l'activité solaire provoquerait chez l'être humain une modification du comportement émotionnel à cause de son effet sur le champ magnétique de la Terre6. Inspiré par les travaux du Russe Alexander Chizhevsky, il étudia plus de 2500 ans d'histoire et mit en évidence l'existence de rebellions, de révolutions, de soulèvements et de guerre à chaque fin de cycle solaire. Selon ses observations, c'est comme si l'intensité du champ magnétique (qui change en fonction du cycle solaire) influait sur le cerveau humain en provoquant une montée d'agressivité.

De plus, sans que cela ne provienne d'une étude officielle, les rapports des hôpitaux psychiatriques montrent une corrélation entre les crises des patients et les périodes de forte activité solaire.

Enfin, en 2011, une autre étude parue dans la revue New Scientist7 indique qu'il existerait une relation directe entre les tempêtes solaires et des effets biologiques chez l'être humain. En effet, les éruptions solaires affectent le système nerveux central, l'activité du cerveau et donc le comportement.

Cependant, ces effets sont à prendre avec des pincettes car il n'existe pas de preuves véritablement concrètes.

Sur les animaux[modifier | modifier le wikicode]

Les animaux, comme nous, sont sensibles au champ magnétique et aux ondes (sûrement plus que nous même). Il est donc normal également de supposer qu'ils soient touchés par l'activité de notre Soleil.

Les animaux utilisant le champ magnétique terrestre pour se guider ou s'orienter comme certains oiseaux (pigeons voyageurs), les chauve-souris, les rats-taupes, certains mammifères aquatiques... sont désorientés et ont du mal à s'orienter correctement lorsque le champ magnétique à proximité d'eux ou de leur nid est perturbé. Certains invertébrés semblent également sensibles à un champ magnétique comme la mouche du vinaigre capable de sentir un champ magnétique 10 fois plus puissant que celui de la Terre.

Ainsi, en 2017 des cachalots se sont échoués sur la côte de la Mer du Nord et une équipe de chercheurs soupçonne l'activité magnétique du Soleil d'être responsable. En effet, en temps normal, comme vu précédemment, le champ magnétique de la Terre forme un bouclier absorbant la plus grande partie des particules du Soleil. Et lors d'éruptions solaires, ce bouclier est déformé, laissant passer une plus grande partie de ces particules. Selon les chercheurs, cette déformation du champ magnétique aurait désorienté les cachalots qui seraient alors venus s'échouer sur les côtes.

Sur le climat[modifier | modifier le wikicode]

Le Soleil étant la première source d'énergie de notre planète, il est normal de se demander si le Soleil joue un rôle dans les changements climatiques que nous vivons. Ainsi, en 2013, un rapport du Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC) estime que la contribution du rayonnement solaire au réchauffement climatique n'est que de 3 à 18 %, avec une grande incertitude sur la valeur exacte.

En 2013 également, le Conseil National de Recherches du Canada (CNRC) a publié un rapport sur les différents effets que peut avoir l'activité solaire sur le climat terrestre. Ainsi, les pics d'activité solaire ont un impact sur l'ozone (un des gaz qui compose notre atmosphère et bloque une partie des rayons) par exemple ou encore un refroidissement de 1°C et de plus fortes pluies dans le Pacifique.

Cependant, les simulations les plus récentes suggèrent que l'impact sur le climat serait surtout régional. En outre, la rapport indique que l'activité solaire a surtout un effet sur la circulation atmosphérique en général plutôt que sur le climat et les températures en eux-mêmes. Les variations de l'énergie solaire ne sont donc pas responsables du réchauffement climatique même si elles peuvent influer dessus de manière très légère.

Aurore boréale

Une autre conséquence de l'interaction des particules solaires et de l'atmosphère terrestre est la production d'aurores boréales dans le ciel. Elles se produisent surtout dans les régions dites « aurorales », concentrées autour des pôles magnétiques (Groënland, Alaska, Antarctique, nord du Canada, Islande, Norvège, Suède, Finlande). Cependant, en cas d'activité solaire intense, les aurores boréales peuvent descendre bien plus bas.

Ainsi, suite à une éruption solaire, en Octobre et Novembre 2003, une aurore boréale a pu être observée dans le Sud de l'Europe. On peut aussi noter la date du 24 Octobre 2014 où une aurore boréale de grande ampleur était visible en Amérique du Nord et Europe du Nord.

Certains pays de la zone australe, comme la Norvège, misent sur les aurores boréales pour attirer les touristes. La météorologie de l'espace pourrait permettre à ces pays de prévoir les aurores et d'organiser des excursions ou des événements assurant aux gens d'assister à des aurores boréales. Il y a donc un développement économique possible pour ces pays grâce à la météorologie spatiale.

Spatiaux[modifier | modifier le wikicode]

Sur les satellites artificiels / communications[modifier | modifier le wikicode]

Lors d'éruptions solaires, la fluctuation des ondes émises par le Soleil peut perturber plus ou moins grandement les communications entre satellites, et par extension tout le réseau de télécommunication, de navigation et l'Internet mondial.

Ainsi, les protons émis lors des éruptions solaires peuvent occasionner des dommages électroniques aux satellites en orbite autour de la Terre, provoquant des perturbations des ondes émises et reçues par ces satellites. Ces ondes permettant le transport d'informations (GPS, téléphonie, Internet...), ces perturbations peuvent avoir des conséquences globales importantes.

De plus, les particules émises par le Soleil peuvent endommager les satellites, les mettant hors d'usage ou les décalant légèrement de leur orbite (ce qui peut être résolu grâce à leurs moteurs).

De même, les instruments de mesures embarqués sur les différentes sondes spatiales peuvent être déréglés à cause de ces particules ou des variations d'ondes.

Enfin, l'émission de différentes particules peut légèrement modifier le courant dans les réseaux électriques et provoquer des radiations interférant avec les radars des avions atc...

Sur les voyages spatiaux[modifier | modifier le wikicode]

Pour les radiations, il existe une dose maximale tolérée et réglementée par an. En France, elle est fixée à 1 mSv (1 milliSievert) par an. Si la Terre possède une radioactivité naturelle et que l'activité humaine en produit également une petite partie, le Soleil produit énormément de radiations par le biais de ses rayonnement « ionisants » (lorsque l'on ajoute ou que l'on enlève un électron à un atome : la charge électrique devient alors positive ou négative).

Si le champ magnétique de la Terre bloque une grande partie de ces rayons, dans l'espace, rien ne protège les astronautes. Des combinaisons spatiales sont donc créées pour protéger les astronautes des rayonnements dans l'espace mais elles sont bien moins efficace que le bouclier magnétique de la Terre. A cause de cela, un être humain ne peut pas rester infiniment dans l'espace sinon la dose de radiation qu'il reçoit devient beaucoup trop importante et peut entraîner des conséquences tels que des cancers, des maladies dégénératives et à terme, la mort.

En effet, les rayons dits « ionisants » sont très énergiques et peuvent affecter la matière qu'ils traversent en déséquilibrant les charges électriques rencontrées.

Pour les rayonnements non ionisés, l'infrarouge présente un risque de chaleur en chauffant les objets rencontrés et les tissus humains tandis que l'ultraviolet (ainsi que les rayons X, bêta et gamma) peut causer de nombreux dommages cellulaires (cancer, cataracte, mutation de l'ADN...).

Effets des rayonnements ionisants sur le corps humain

C'est pour cela que dans l'espace, la NASA a fixé un seuil de jours à ne pas dépasser pour ne pas dépasser la dose limite de rayonnement. Ainsi, un astronaute de 30 ans qui voyagerait dans l'espace protégé par un blindage d'aluminium pourrait vivre et travailler hors de la magnétosphère terrestre jusqu'à 700 jours. L'activité du Soleil influe également sur la quantité de rayonnement dans l'espace pour deux raisons : d'une part, il en émet et de l'autre part, le champ magnétique solaire qui s'étend jusqu'à la frontière de notre système solaire bloque une partie des rayonnements du reste de l'univers, de la même façon que notre champ magnétique terrestre. Cependant, il semblerait que les cycles solaires actuels soient plus faibles qu'auparavant ce qui laisse passer plus de rayons cosmiques issus du reste de l'univers.

Donc si les voyages dans l'espace sont à portée de main (technologie prête, véhicules spatiaux en voie de développement...) les rayonnements spatiaux (solaires et cosmiques) et les particules émises par le Soleil sont des éléments importants à prendre en compte. La météorologie de l'espace est donc un domaine en plein essor et nécessaire pour pouvoir un jour prévoir de longs voyages dans l'espace de manière plus ou moins sûre.

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  1. [1] blog astronomie
  2. [2] Agence spatiale canadienne
  3. [3] Jean-Marie Malherbe
  4. [4] Agence France Presse (AFP)
  5. [5] Futura Santé - Les différentes radiations émises par le Soleil
  6. Climate: The Key To Understanding Business Cycles [6] [7]
  7. [8] [9]