Mise à jour 28 Octobre 2022.
CONFÉRENCE MENSUELLE
DE LA SAF
D’ÉTIENNE PARIAT
HÉLIOPHYSICIEN LABO DES PLASMAS À L’X
LE SOLEIL, LA TERRE ET LA MISSION SOLAR ORBITER.
Organisée par la
SAF
En présence du
public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF
Le Mercredi 12
Octobre 2022 à 19H00
Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution
peuvent
m'être
demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir
les crédits des autres photos si nécessaire
La présentation est disponible sur
ma liaison ftp , mais comme elle est très copieuse (2 GB) je n’ai mis
en ligne que la version pdf (donc sans les animations, que j’ai inclus pour la
plupart dans le CR). Rentrer le mot de passe, puis CONFÉRENCES SAF ensuite
SAISON 2022/2023 ; elle s’appelle :
Pariat_SAF_CNAM_Eruptions.pdf
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me
contacter avant..
La vidéo de la réunion est accessible :
En plus des spectateurs de l’amphi, nous étions
48 sur YouTube.
Tous les autres enregistrements des conférences mensuelles sont
accessibles sur la
chaine
YouTube SAF.
La présentation étant très claire et très détaillée, mon CR sera
succinct, je m’inspire aussi de CR antérieurs.
J’espère que le double changement d’amphi n’a pas troublé le
public.
Etienne
Pariat est un astrophysicien spécialisé sur le Soleil et son
environnement.
Il est spécialiste de l’activité solaire de l’équipe Plasmas
spatiaux du Labo de Physique des Plasmas (LPP) de l’École Polytechnique.
Il a notamment effectué un post-doc au célèbre GSFC (Goddard
Space Flight Center) de la NASA au Maryland.
Il participe au développement de la mission Solar Orbiter de
l’ESA.
PARTIE
I : ÉRUPTIONS SOLAIRES, NATURE, CONSÉQUENCES ET ORIGINES.
En se posant la question « qu’est-ce que c’est une éruption », il
préfère dire ce que n’est pas une éruption.
En effet les particules qui s’échappent du Soleil et qui
constituent le vent solaire ne sont pas des éruptions.
Le flux de ces particules est de l’ordre de 1,5 millions de t par
sec !
On rappelle que le modèle théorique du vent solaire a été pour la
première fois proposé par Eugen Parker (dont on a lancé la sonde PSP il y a
quelques années).
Ce vent solaire crée une « bulle » dans l’espace dominé par le
champ magnétique solaire, l’héliosphère
Une représentation
d’artiste de l’héliosphère. Crédit : NASA/JPL Caltech.
On remarque
les sondes
Voyager qui ont été les premières à quitter cette bulle.
Voir l’animation :
https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a020000/a020300/a020363/H_0322_HeliopauseCycle_v01.mp4
Et plus de détails sur
https://svs.gsfc.nasa.gov/20363
Une
éruption : phénomène impulsif et transitoire.
Une éruption solaire (solar flare en anglais) ou protubérance
(prominence en anglais) est une explosion à la surface du Soleil (due à une
variation brutale du champ magnétique) qui émet des particules gamma et X,
protons et électrons très énergétiques.
Phénomène extrêmement énergétique de l’ordre de 1026
Joules (un milliard de fois l’énergie développée par la plus puissante des
bombes thermonucléaires !).
On peut étudier l’environnement ^proche du Soleil garce aux
nombreux satellites d’observation comme SOHO, SDO, STEREO etc
Ceux-ci sont équipés d’un petit cache permettant d’occulter la
lumière du Soleil afin de voir son environnement, comme on le note sur l’exemple
ci-contre.
Pour information, la technique du coronographe a été inventée par
le Français
Bernard Lyot
en 1930.
La matière émise est éjectée dans le système solaire.
Spinning
sun :
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/source.gif
Grace à la combinaison de plusieurs satellites solaires, on peut
suivre l’évolution de cette matière.
Comme avec le satellite STEREO A qui permet de voir l’évolution
de la propagation dans le système solaire jusqu’à la Terre.
Arrivées au niveau de la Terre ces particules donnent naissance
aux aurores polaires qui sont particulièrement bien visibles depuis l’ISS.
Mais le mauvais côté de ces arrivées de particules sont à notre
époque la vulnérabilité de nos systèmes modernes de communications etc..
Notre société technologique y est très sensible,
Dommages/Pertes des satellites artificiels
Erreurs de fonctionnement
Changements d’orbite
Surtensions électriques
Réseaux électriques
Coupure globale de courant électrique
Perturbations des communications radio, du GPS, du trafic aérien
Radiations sur humains/astronautes/Personnels navigants
On voit sur ce graphique fourni par l’ESA un résumé de tout ce
qui peut arriver comme conséquences de ces éruptions solaires.
Crédit :
ESA/Science
Office, CC BY-SA 3.0 IGO
Ces particules se propagent dans le système solaire, et en Sept
2017, elles atteignent Mars, ce qui perturba pendant une dizaine de jours les
sondes martiennes.
Le public peut avoir accès aux dernières observations solaires
sur les sites suivants :
Logiciel
Jhelioviewer :
https://www.jhelioviewer.org/
Appli Web:
https://helioviewer.org/
Pour répondre aux demandes de plus en plus pressantes sur l’état
de notre Soleil, on a créé la nouvelle discipline : la météorologie spatiale
(Space Weather) devant prévenir des évènements les plus actifs au niveau de
notre étoile : où, quand son impact éventuel sur la Terre, sa puissance etc..
L’activité solaire.
La lumière
visible émise par le Soleil est quasiment constante dans le temps, ce qui
mène à la notion de constante solaire.
Note du rédacteur :
Quelle est la quantité d’énergie émise par le Soleil ?
Les lois de la thermodynamique (loi
de Wien) permettent de calculer la température de la surface solaire
à partir de la longueur d’onde moyenne émise (0,5 micron), on en déduit : T =
5770K.
Ayant T, la loi
de Stefan nous donne le flux lumineux solaire, et connaissant le
rayon du Soleil (0,7 Millions de km) on en déduit la puissance rayonnée
approx : 3,9 1026 W
Sur toute la surface du Soleil, donc par m2 ; on divise par
4xPixR2, on trouve approx : 6,3 107 W :m2
Et maintenant au niveau de la Terre : loi en 1/d2
R soleil : 0,7 millions km d terre : 150 millions de
km 1/d2 = 1/45700 soit au niveau de l’orbite terrestre :
Approx : on trouve la valeur de la constante solaire : 1370
W/m2
Mais, attention ce n’est pas ce qui arrive au sol, car les
1370 W/m2 sont pour une surface plane de 1m2, or la Terre est sphérique, et le
rayonnement précédent arrive sur une surface 4 fois plus grande en 24H d’où la
valeur au niveau de l’atmosphère (sphérique) terrestre : 342 W/m2.
Ce chiffre n’est qu’une moyenne, en fait ensuite il faut faire
jouer la latitude du lieu, l’albedo de la Terre etc.. pour voir ce que l’on
reçoit directement au sol.
Fin de la note
Mais l’adjectif important était « visible », en effet dans
d’autres longueurs d’onde ce n’est plus le cas comme en UV par ex.
Comme sur cette petite vidéo.
Crédit NOAA
L’atmosphère solaire, observée en UV, présente de nombreuses et
soudaines variations d’intensité lumineuse et de forme : ces variations
constituent l’activité solaire
Les
taches solaires se produisent dans ce que l’on appelle les régions actives (AR =
active region en anglais), qui vont produire des zones brillantes dans
l’atmosphère solaire (visible en UV), alors que les taches elles-mêmes sont
sombres.
Elles sont la source de l’activité solaire.
Photos : SOHO en visible (à gauche) et UV
Crédit NASA/ESAZ/SOHO
On peut aussi s’en rendre compte sur
la vidéo
suivante d’une éruption filmée par SDO en UV.
L’activité solaire est cyclique sur une période de 11 ans.
Pendant le minimum, il y a peu de taches et de régions actives,
alors qu’en phase solar max il y en a de nombreuses, jusqu’à 5 éruptions par
jour.
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Cycle solaire (en UV) de 1996 à 2006. Crédit NASA/ESA/SOHO |
Les 3 derniers cycles, échelle verticale : nombre de
taches solaires par année (échelle horizontale) |
Vidéo : le Soleil en solar min et max depuis le satellite SDO de
la NASA (prise en UV extrême (171).
https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a013700/a013714/Solar_max_min.mp4
Les
interactions Soleil-Terre lors d’une éruption solaire (solar flare).
Interactions
Soleil-Terre. Crédit NASA/GSFC
On note principalement :
·
L’émission de photons sous forme de lumière,
arrivent au bout de 8 minutes sur Terre
·
D’éjecta de matière solaire (éjection de masse
coronale CME) à une vitesse max de 1000 km/s. c’est le principal perturbateur de
l’environnement terrestre. Masse éjectée importante ainsi que le
champ
magnétique.
·
L’émission de particules énergétiques causant le
vent solaire (solar wind)
Les éjections
de masse coronale (CME : Coronal Mass Ejection en anglais) sont d'énormes
bulles de gaz chaud (plasma) s'échappant du Soleil à grande vitesse (peut
atteindre plusieurs milliers de km/s), une certaine partie de cette matière
émise retombe sur la surface du Soleil. Elles s’ajoutent aux autres particules
émises en permanence et s’ajoutent au vent solaire.
Ce sont des particules, qui peuvent atteindre la Terre, et elles
mettent donc un certain temps avant d’atteindre notre planète, de 1 à 3 jours.
Une superbe
CME par SOHO en animation gif (NDLR)
Vidéo : Différence entre éruption (solar flare ) et CME :
https://youtu.be/TWjtYSRlOUI
à voir absolument.
Le vent
solaire (solar wind) est un flot de particules (protons essentiellement,
électrons noyaux d'hélium) s'échappant de la couronne solaire (plasma de
plusieurs millions de degrés) à très grande vitesse (dépassent leur vitesse de
libération) de l'ordre de 400km/s. Il atteint la Terre en 4 à 5 jours. Ce vent
baigne tout le système solaire de façon spiralée (comme un jet d'eau sortant
d'un tourniquet d'arrosage) ceci est dû à la rotation du Soleil. (NDLR). Ces
faisceaux de particules en se propageant génèrent des ondes radio. De temps en
temps ces particules atteignent la Terre et possèdent une énergie très
importante.
Comment
se déclenchent les éruptions ?
Le Soleil est actif, car magnétique !
Une tache solaire (sunspot en anglais) est liée au champ
magnétique du soleil, elle apparaît sombre car elle est moins chaude de quelques
mille degrés que le reste de la photosphère. C'est un point de sortie (ou
d'entrée) du champ magnétique, elle peut durer plusieurs jours. Elles vont
généralement par paire. Les taches solaires obéissent à un cycle approximatif de
11 ans (le champ magnétique solaire s'inverse tous les 11 ans.) (NDLR)
Les taches sont donc une des manifestations externes du champ
magnétique interne, ce sont les endroits où il y a une forte concentration du
champ magnétique. Il y a toujours au moins
2 taches de polarité
magnétique opposée.
Le
magnétogramme est la carte du champ
magnétique. (en blanc = pôle positif, en noir = négatif)
Les régions actives de taille moyenne de l’ordre de 100.000km,
correspondent à ces régions intenses au point de vue magnétisme ;
Au centre des taches : 0,1 Tesla à comparer à 5 10-5 Tesla
du champ terrestre. (Aimant type frigo : 0,01T)
Le flux magnétique étant de l’ordre de 1015 Wb (Weber unité
de flux d’induction magnétique)
Les boucles
coronales (coronal loops) que l’on voit à la surface su Soleil, sont
les lignes de champ magnétique. Elles sont la structure de base de la couronne
inférieure.
Elles représentent la torsion du champ magnétique
L’énergie magnétique est la source d’énergie des éruptions
solaires.
Cette énergie provient de l’intérieur du Soleil.
Le champ magnétique structure l’atmosphère solaire
L’énergie magnétique est la source d’énergie des éruptions
solaires.
Comprendre l’activité solaire
à
comprendre son champ magnétique
On voit ici une animation sur la formation des taches solaires.
Les taches sont le résultat du processus appelé émergence du
champ magnétique, des zones noires apparaissent qui sont les points de départ
des futures taches solaires. Ces taches se forment la plupart du temps deux par
deux comme la polarité du champ magnétique. Ces taches sont les zones de sorties
de lignes de champ à la surface du Soleil.
Cette énergie magnétique provient de l’intérieur du Soleil.
Il n’y a pas de signe précurseur des éruptions solaires.
Le modèle
standard des éruptions solaires.
Au cœur des éruptions on trouve le phénomène de reconnexion
magnétique.
En effet les particules chargées du vent solaires se déplacent le
long des lignes de champ, mais elles peuvent de temps en temps sauter d’une
ligne à une autre, se produit alors ce phénomène de reconnexion
magnétique, comme on peut le voir le site suivant en cliquant sur l’image.
En a) : Représentation du mécanisme physique au travail dans une
éruption.
La reconnexion magnétique dans la couronne convertit deux lignes
de champ ouvertes (en violet) en ligne fermée (rouge) et ouverte (bleu) et
réinjecte le plasma vers la surface du Soleil. Il en résulte des émissions X et
UV.
En b) : Deux images du Soleil en UV (195 Angstrom) avant et après
l’éruption
(Crédit SOHO)
On remarquera que la taille de la boucle au niveau de la surface
du Soleil est de l’ordre de 108m, alors que le phénomène de
reconnexion est de l’ordre du mètre !
Il est très difficile d’étudier les éruptions solaires.
Il faut savoir que l’ensemble des processus menant aux éruptions
est à ce jour encore inconnu.
D’où l’impossibilité de donner des prévisions des éruptions.
La meilleure prédiction : la surveillance permanente du Soleil !
De nombreuses sondes sont consacrées à l’étude du Soleil,
en voici une
représentation.
Conclusions partielles :
La météorologie de l’espace est un domaine en pleine maturation
et en pleine évolution.
De nombreuses recherches théoriques doivent être menées pour
comprendre tous les processus mis en jeu dans les éruptions.
Solar Orbiter devrait nous aider dans cette tâche.
PARTIE
II :LA MISSION SOLAR ORBITER.
L’ESA a conçu la mission
Solar Orbiter qui devrait procéder à :
· Des mesures dans le vent solaire à des distances jamais
atteintes auparavant (périhélie minimum prévu aux alentours de 0,3 unité
astronomique, soit entre 50 et 60 rayons solaires de la surface) ;
· Des observations à distance rapprochée du Soleil avec
très bonne résolution spatiale jamais atteinte permettant d’étudier les taches
solaires sur plus de 13 jours.
· Observations des boucles magnétiques.
La sonde comporte
dix
instruments.
Cette sonde travaille en coopération avec la sonde US Parker
Solar Probe (PSP). PSP se rapproche beaucoup plus près du Soleil que Solar
Orbiter.
On voit les caractéristiques de ces deux sondes sur le diagramme
suivant :
Solar Orbiter (à
gauche) vs Parker Solar probe (à droite). Illustration ESA–S.Poletti
Solar Orbiter devrait être lancé en 2018, mais c’est un projet
qui a démarré …dans les années 1990 ! La mission étant confirmée seulement en
2011.
Nombreux survols de Vénus et de la Terre comme assistance
gravitationnelle.
Les buts de cette mission sont de répondre aux questions
suivantes :
· Comment le Soleil crée et contrôle l’héliosphère ?
· Pourquoi l’activité solaire varie avec le temps ?
· Qu’est ce qui génère le vent solaire et comment est
généré le champ magnétique ?
· Comment les éruptions solaires produisent les
particules énergétiques qui remplissent l’héliosphère ?
· Comment la dynamo solaire fonctionne-t-elle ? Comment
contrôle-t-elle la relation Soleil-Héliosphère ?
•
Approche maximale : 0.28 AU
•
Forte différence de température entre l’avant et
l’arrière de la Sonde
è
Bouclier thermique passif.
Une vidéo sur ce premier
passage au périhélie :
Les images de cette vidéo proviennent de l’imageur UV (EUI) avec
des zooms provenant du HRIEUV (Haute résolution imageur).
On voit tout d’abord le disque complet du Soleil avant de zoomer
en son centre, où on aperçoit des boucles coronales.
Crédit : ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team
Les
premières images et mesures.
Les liens
entre le Soleil et la Terre.
Durant ce passage au périhélie, nous avons eu la chance de
pouvoir assister (et effectuer toutes les mesures nécessaires) à des éruptions
solaires (solar flares) ainsi qu’à l’émission d’une CME (éjection de matière
coronale) dirigée vers notre planète, et qui arriva 18 heures plus tard donnant
naissance aux aurores prévues.
De plus on a pu étudier et imager l’éruption du 21 Mars.
L’ESA nous fournit une infographie de ces évènements :
Crédit : ESA &
NASA/Solar Orbiter/EPD, EUI, RPW & STIX
L’éruption solaire du 21 Mars 2022 (quelques jours avant le
périhélie) a eu lieu juste à la limite de la face visible par Solar Orbiter,
mais a pu être détectée par l’imageur EUI, et le spectromètre STIX.
La source X est marquée d’un point rouge pour le repérage et
l’onde de choc est colorée en jaune/vert. (Coin inférieur gauche).
Cette éruption a déclenché une éjection de masse coronale (CME)
dirigée vers le système solaire.
Parallèlement, un nuage de particules très énergétiques (pour la
plupart des électrons) a été émis et détecté par l’instrument RPW (Radio and
Plasma Waves detector), on le voit dans coin supérieur droit de l’image.
Simultanément, le détecteur de particules énergétiques (EPD)
détecta ces particules qu’il analysa en fonction des différentes
caractéristiques. (Coin inférieur droit).
Tout ceci étant combiné, donne une image complète de cet
évènement et participe ainsi à ce que l’on appelle la météo spatiale (space
weather en anglais).
Ceci permet de prévoir les activités solaires (Forecasts =
prévisions) comme par exemple pour
cette CME du 10 Mars 2022 qui combine les informations de SOHO de
Solar Orbiter et des observatoires terrestres.
À partir de 2025, Solar Orbiter devrait sortir du plan de
l’écliptique afin d’avoir des mesures et des images des pôles solaires.
Finalement, on espère de Solar Orbiter qu’il réponde à la
question suivante : Comment le Soleil crée et contrôle l’héliosphère?
La mission a été particulièrement bien suivie sur ce site, vous
pouvez consulter les archives
Solar
Orbiter ICI.
POUR ALLER PLUS LOIN :
A User’s
Guide to the Magnetically Connected Space Weather System: A Brief Review
Le Soleil a
rendez-vous avec la Terre : CR de la conf SAF de A.S. Brun du 10 nov
2021
Du Soleil à
la Terre, la mission STEREO : CR de la conférence SAF de F Auchère du
17 Janv 2008
Relations
Soleil-Terre : CR conf IAP de K. Bocchialini du 3 de 2019
Le Soleil
sous toutes ses faces : CR de la conf. IAP de N Vilmer du 7 oct 2014
Le Soleil et
ses effets sur la Terre : CR de la conf IAP de G Aulanier du 7 Mai
2013
Le Soleil
notre étoile et les étoiles : CR conf VEGA de JP Martin du 2 Fev 2013
Du Soleil à
la Terre, la mission STEREO : CR de la conférence SAF de F Auchère
Solar Cycle
25 Is Here. NASA, NOAA Scientists Explain What This Means
Spots, Waves
and Wind: A Solar Science Timeline | Full Text
Solar cycle
bon résumé par wikipedia.
Les
instruments de Solar Orbiter.
Le Soleil
comme vous ne l’avez jamais vu par l’ESA.
Bon ciel à tous
Prochaine conférence SAF
devant public :
Le mercredi 9 Novembre 2022 à 19H00 au CNAM amphi Grégoire (220 places).
Paola di Matteo
Astronome GEPI Obs de Paris
La mission GAIA et notre Galaxie Résa
> 13 Octobre
. Réservation
comme d’habitude ou
à la SAF directement.
Transmission en direct
sur le canal YouTube de la SAF
Sinon à suivre en
direct :
https://youtu.be/dEYzUxHXLIg
Rappel / samedi 29 Oct
15h au siège, réunion de la commission de planétologie sur :
JUPITER
VUE PAR LA SONDE JUNO.
Par Florian DEBRAS Polytechnique, astrophysicien à l’IRAP
Jean Pierre
Martin
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