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Cycle
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Solar
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N° 54391
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Un cycle solaire est une période pendant laquelle l'activité du Soleil varie en reproduisant les mêmes phénomènes que pendant la période de même durée précédente. Vue de la Terre, l'influence du Soleil varie principalement selon une période journalière et annuelle. Dans l'absolu, l'activité solaire est réglée par un cycle d'une période moyenne de 11,2 ans d'un maximum au suivant mais la durée peut varier entre 8 et 15 ans. L'amplitude des maxima peut varier du simple au triple. Le cycle de 11 ans a été déterminé pour la première fois par l'astronome amateur allemand Heinrich Schwabe vers 1843. En 1849, l'astronome suisse Johann Rudolf Wolf (1816-1893) établit une méthode de calcul de l'activité solaire basée sur le nombre de taches. Les cycles de Schwabe sont numérotés à partir du maximum de 1761 (voir tableau). Le cycle 23 a commencé en mai 1996 et le début du cycle 24 a été détecté par les scientifiques en janvier 2008[1]. Mais les premières taches se sont estompées et le soleil est resté très calme. On dénombre à ce jour (juin 2009) 640 jours sans tache depuis le début de ce minimum (485 jours pour un minimum typique). L'année 2008 a été caractéristique d'un minimum solaire : 266 jours sans aucune tache (73 %). D'après les relevés de la NASA, le premier trimestre 2009 est encore plus marqué avec 78 jours sans aucune tache (87 %). Le maximum du cycle 24 est maintenant prévu par la NASA pour mai 2013, le nombre de taches prévu est 90.(mise à jour du consensus par la NASA le 8 mai 2009) |
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Maximum des cycles solaires
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En liaison avec le cycle de 11 ans, existe un cycle de 22 ans qui concerne le champ magnétique solaire. En effet, les polarités de ce dernier s'inversent à chaque nouveau cycle de 11 ans. Un cycle de 179 ans peut être également mis en évidence en relation avec le cyle des planètes géantes gazeuses Jupiter et Saturne. Une théorie (K.D. Wood) donne pour raison de ce cycle les « marées » solaires provoquées par les planètes du système solaire, principalement Vénus, Terre, Mars Jupiter et Saturne; la période de révolution de Mercure étant trop faible vis-à-vis de la durée du cycle de 11 ans. Wolf a également remarqué un cycle de variation des maxima d'une période de 90 ans. Pendant les années d'activité maximale, on constate une augmentation : * du nombre de taches solaires et des sursauts solaires * du rayonnement corpusculaire * du rayonnement électromagnétique |
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Tache solaire issue des observations très belles à la Lunette Jean Rösch de l'Observatoire du Pic du Midi. Auteur: Lunette Jean Rösch - PMO! Très belle..!
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Il y a deux mille ans, les astronomes grecs et chinois parlaient dans leurs écrits de taches sombres sur le soleil dont la forme et l'emplacement changeaient. En avril 1612, Galilée procéda à leur observations à l'aide de l'une des premières lunettes astronomiques. Par la suite, l'observatoire de Zurich en poursuivit l'observation. Elles apparaissent dans la photosphère comme une zone sombre (l'ombre) entourée d'une région plus claire (la pénombre), sont plus froides que la photosphère ambiante (4 500 K contre environ 5 800 K pour la photosphère), et sont dues à une augmentation locale du champ magnétique. Leur plus grande dimension peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de km. Les taches apparaissent souvent en groupe, et sont souvent accompagnées d'autres taches de polarité magnétique opposée (groupe de taches bipolaire). Au début du cycle solaire, les taches apparaissent de préférence à haute latitude dans les deux hémisphères (vers 40 o); de plus, les premières taches d'un groupe sont en général de même polarité. Tout au long du cycle, les taches vont se rapprocher de l'équateur jusqu'au début du cycle suivant; à ce moment là, la polarité des taches devant changer. En étudiant les mouvements de ces taches solaires, les astronomes concluent que l'axe équatorial du Soleil tournait plus vite que ses pôles. L'observation des taches solaire est facile et permet de constater la rotation du soleil sur lui- même en 27 jours. Il ne faut cependant jamais regarder directement le soleil sans lunettes adaptées. On peut observer les taches en projetant l'image du soleil sur une feuille de papier à l'aide d'une simple paire de jumelles. |
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La formule suivante permet d'estimer l'activité solaire notée R en fonction du nombre (t) de taches, du nombre (g) de groupes de taches et d'un coefficient k corrigeant le résultat en fonction des moyens d'observation (observateur, instrument...). R = k(t + 10g) |
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Le nombre de Wolf maximum du cycle 19 a atteint 190 tandis que le cycle 14 n'a pas dépassé 70. Malgré son imprécision le nombre de Wolf a l'intérêt d'exister depuis 250 ans tandis que l'observation scientifique avec des moyens modernes n'a que quelques cycles dans ses bases de données.
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La radioastronomie est née avec le radar, en 1942 pendant la Seconde Guerre mondiale. Les ondes radioélectriques émises par le Soleil proviennent de la chromosphère, là où la matière est entièrement ionisée (plasma) et de la couronne. La fréquence de l'onde émise dépend de ne1, le nombre d'ions par mètre cube. Les perturbations solaires (éruption, sursauts) font varier le spectre des émissions radio. La mesure de l'amplitude du rayonnement solaire sur 2800 MHz (en W/Hz m²) donne un indice d'activité solaire plus fiable que le nombre de Wolf. Des mesures sont aussi effectuées sur d'autres fréquences (245 MHz, 410 MHz,... 15,4 GHz) L'étude de l'activité solaire permet de comprendre les phénomènes de propagation des ondes et de prévoir d'éventuelles perturbations des communications radioélectriques sur Terre.
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Les variations de l'activité solaire se traduisent par des fluctuations de la propagation des ondes radio. La gamme de fréquences la plus touchée couvre les ondes dites décamétriques ou ondes courtes qui se propagent à longue distance grâce à l'ionosphère. Pendant les orages magnétiques, la très forte ionisation des couches hautes de l'atmosphère peut perturber voire interrompre les communications avec les satellites avec les conséquences graves que l'ont peut imaginer pour les télécommunications, la navigation, le positionnement géographique...
La météorologie de l’espace (ou météorologie spatiale) est une discipline récente qui s’intéresse principalement à l'impact de l'activité solaire sur notre environnement terrestre. Plus exactement : «La météorologie de l’espace est la discipline qui traite de l’état 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, qu’elles soient d’origine 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 l’espace[1]). 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 aujourd’hui à l'émergence de la climatologie de l'espace, qui s’intéresse plus particulièrement aux effets à long terme.
Cette discipline marque une rupture avec la recherche spatiale classique, car l’accent est ici mis sur l’interaction entre des milieux différents, allant du cœur solaire à la croûte terrestre, et sur la mise en place d’un 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 d’avions de ligne, perturbation du positionnement par satellite, perturbations sur les réseaux de distribution de l’électricité, etc.
La météorologie de l’espace et la météorologie terrestre possèdent de nombreux points communs. Dans les deux cas, l’objectif est de surveiller notre environnement pour en prédire l’évolution dans des buts économiques, scientifiques mais aussi stratégiques. La météorologie terrestre date de nombreux siècles mais c'est à partir de la seconde moitié du XIXe siècle qu'elle est passée d’une curiosité scientifique vers un service opérationnel apte à livrer des produits pour le grand public. Elle a pris son essor plus rapide dans les années 1920 quand les premiers théoriciens de l’école de météorologie de Bergen ont établi les bases scientifiques de la discipline et dans les années 1970, lorsque les satellites d’observation offrirent enfin une vision globale de l’atmosphère terrestre et la prévision numérique du temps devint un outil incontournable. La situation actuelle en météorologie de l'espace est comparable à celle qui prévalut en météorologie terrestre dans les années 1960. Même s’il y a une prise de conscience de son importance et des conséquences économiques, la compréhension scientifique reste encore limitée et le manque de moyens d’observation adéquats reste un obstacle majeur. De fait, il existe aujourd’hui 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 l’échelle régionale et nécessite la prise en compte de l’héliosphère entière. Un programme spatial de météorologie de l'espace ne peut se concevoir qu'à l'échelle internationale. Les variations du milieu spatial peuvent nous affecter de plusieurs façons. Certains effets sont d’ailleurs connus de longue date, alors que leur origine solaire n’a été découverte que récemment.
Les ondes électromagnétiques émises entre le sol et les satellites de télécommunication doivent traverser l’ionosphère, un milieu ionisé qui modifie légèrement. Les gammes de fréquence les plus concernées vont de 10 MHz à 2 GHz environ. Lors d’orages magnétiques, d’éruptions solaires ou d’événements à protons, les caractéristiques de l’ionosphère changent et la transmission s’en 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 d’autres (les évènements à protons) affectent les régions polaires pendant plusieurs heures. La plupart sont difficiles à prédire. D’autres perturbations peuvent survenir lors d’éruptions 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 d’étudier 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 l’ionosphère. 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 aujourd’hui le principal obstacle à la mise à disposition d’un service 100% opérationnel et rendent d’autant plus nécessaire l’envoi simultané d’informations pour valider la mesure de la position. Un autre exemple d’événement est celui survenu en octobre-novembre 2003, où, suite à une série d’éruptions solaires, plusieurs vols transpolaires perdirent pendant plus d’une 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. Parrmi les effets les mieux documentés en météorologie de l’espace, il y a ceux qui concernent les satellites. Les particules énergétiques émises lors d’éruptions solaires pénètrent profondément à l’intérieur 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 d’état dans la mémoire, où des bits passent de 0 à 1 ou inversement. D’autres effets peuvent être plus graves, avec la destruction de composants vitaux, comme le système de contrôle d’attitude. Dans le premier cas, on peut se contenter de redémarrer l’ordinateur 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 l’image ci dessous, 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 l’axe de rotation terrestre. Les ceintures de rayonnement sont relativement plus proches de la Terre au-dessus du Brésil, où davantage de particules énergétiques pénètrent dans la haute atmosphère. Ces particules sont responsables des pannes informatiques observées à bord d’UoSat-2.
Un nombre d’incidents accru y est aussi observé pour les ordinateurs de bord des avions de ligne. Les ceintures de rayonnement, une zone toroïdale qui se peuple de protons et d’électrons de haute énergie lors d’orages magnétiques.
Ces particules peuvent y résider pendant des semaines voire des mois et constituent une menace importante pour les satellites qui traversent ces régions. C’est 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 l’absence de statistiques fiables sur les satellites commerciaux ou militaires. Les orbites les plus concernées sont celles qui se situent dans le vent solaire (où le satellite n’est 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 d’une fusée Ariane 5 lors d’un 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 l’orbitographie. Les objets qui se déplacent sur des orbites basses (typiquement moins de 800 km d’altitude) rencontrent une faible résistance de l’atmosphère, qui les ralentit et leur fait perdre en permanence de l’altitude. Lors d’éruptions solaires ou lors d’orages magnétiques, les réchauffements de l’ionosphère et l’augmentation de la densité qui s’en suit accélèrent cette perte d’altitude. Certains satellites peuvent ainsi perdre plus de 10 km en quelques jours. Ces effets sont particulièrement gênants pour les satellites d’observation de la Terre tels que Spot, dont la position doit être connue avec une grande précision. Ils concernent aussi les débris spatiaux, qui jonchent l’espace et constituent une menace permanente pour tout objet dans l’espace. Les débris dont la taille dépasse 1 cm sont suivis en permanence par le radar américain de Haystack du NORAD. Or tout changement intempestif d’orbite 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 l’océan Pacifique le 23 mars 2001, en pleine période d’activité 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 d’orbite, mais aussi la prévision à long terme (années) pour prévoir la quantité de carburant nécessaire pour reprendre de l’altitude. |
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1. NASA Satellites Capture Start of New Solar Cycle 2. Page officielle du télescope THEMIS 3. Page officielle de la base de données solaires BASS 2000 * (fr) (fr)Site officiel , European Space Weather. Consulté le 2009-10-28 Space Environment Center sur NOAA. Consulté le 12 avril 2010 International Living With a Star sur Nasa. Consulté le 15 Avril 2010 (en) SoHO Space Weather : l’activité solaire en temps réel, à partir du satellite (en) ESA Space Weather : le portail de l’ESA sur la météorologie de l'espace www.spaceweather.eu : portail européen multilingue de la météorologie de l’espace, Le Soleil et la Terre , site du CEA sur certains des mécanismes physiques de l’activité solaire. Bibliographie J. Lilensten et J. Bornarel, Sous les feux du Soleil : vers une météorologie de l’espace, EDP Sciences, 2001 (vulgarisation sur les effets sociétaux de la météorologie de l’espace). J. Lilensten et P.-L. Blelly, Du Soleil à la Terre : aéronomie et météorologie de l’espace, EDP Sciences, 2000 (ouvrage sur l'aéronomie, avec une partie sur l’impact de l’activité solaire). J. Lilensten, Vers une météorologie spatiale, article paru dans le journal du CNRS. 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, L’Environnement spatial, Que sais-je ?, 1995 (un livre précurseur sur les risques dans l’environnement 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. P. Lantos et T. Amari, Éruptions solaires et météorologie de l’espace, Pour la science, 284, 2001, pp. 54-61.
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