Les éruptions solaires peuvent atteindre un niveau de violence qui peut affecter notre civilisation technologique. On cherche à modéliser ces éruptions pour les prévoir dans le cadre d’une véritable météorologie solaire. On progresse dans des simulations sur ordinateur de plus en plus réalistes de ce phénomène.

La longue fascination de l’Humanité pour le Soleil n’est pas à démontrer, il suffit de se rappeler des civilisations égyptiennes et aztèques pour s’en convaincre. Même dans notre civilisation scientifique et technologique, le Soleil reste un formidable symbole, que ce soit lorsque l’on essaye de maîtriser son feu sur Terre avec des tokamaks comme Iter ou simplement théoriquement, comme on le fait depuis le début du XXe siècle avec les travaux des pionniers de la structure solaire, tels Eddington et Chandrasekhar.

L’essor des ordinateurs et leur montée en puissance ont accompagné tous ces travaux au cours de la seconde moitié du XXe siècle et leur impact est toujours bien présent comme le prouvent les travaux de chercheurs états-uniens qui viennent de publier un article dans le journal Nature Astronomy. À l’instar de nombreux collègues avant eux, il s’agissait de modéliser les colères du Soleil grâce à des simulations numériques basées sur la fameuse magnétohydrodynamique, la théorie qui combine les équations de Navier-Stokes de la mécanique des fluides avec celles des phénomènes électromagnétiques, les équations de Maxwell. Notre Soleil est en effet une gigantesque boule de plasma, ce quatrième état de la matière composé de fluides chargés, en l’occurrence des ions et des électrons.

Le 31 août 2012, un long filament de matériau solaire qui flottait dans l’atmosphère du Soleil, la couronne, a éclaté dans l’espace. L’éjection de masse coronale ou CME résultante s’est éloignée du Soleil à plus de 900 km/s. Ce film montre l’éjection d’une variété de points de vue capturés par plusieurs satellites solaires de la Nasa (SDO, Stereo, Soho). © Nasa Goddard

Ces colères du Soleil, nous les étudions aussi depuis l’espace avec des satellites comme Soho ou Stereo qui, en plus de nous fournir des images à haute résolution de la surface du Soleil avec ses taches, nous montrent aussi les éruptions solaires, qui sont spectaculaires quand elles s’accompagnent d’éjections de masses coronales.

Vers une météorologie solaire prédictive

Il y a plus qu’une quête désintéressée de la connaissance concernant ces colères. En effet, notre civilisation y est vulnérable de deux façons. Elles peuvent conduire à des orages magnétiques qui, du fait des variations des champs magnétiques sur Terre vont produire des perturbations dans les réseaux de télécommunications, que ce soit les câbles téléphoniques ou les transmissions radio-électriques. Les réseaux de transport de l’électricité sont eux-mêmes affectés et des pannes de courant conséquentes peuvent en découler. Ce fut le cas, en 1965, avec des dizaines de millions de personnes du continent nord-américain qui ont été plongées dans l’obscurité, et 6 millions de personnes de même au Québec en 1989. Enfin, les électrons tueurs produits par ces éruptions peuvent endommager gravement les satellites autour de la Terre, satellites dont nous dépendons beaucoup, notamment sur le plan militaire.

Il nous faudrait une véritable météorologie solaire en mesure de prédire à l’avance ces évènements, ce qui, comme dans le cas de la Terre, suppose des observations satellitaires fournissant des données nourrissant de puissantes simulations numériques sur superordinateurs. On comprend donc tout l’intérêt de la performance aujourd’hui annoncée, à savoir qu’il a été possible de reproduire pour la première fois le déroulement complet d’une éruption solaire et de calculer son aspect à différentes longueurs d’ondes, du visible aux rayons X en passant par l’ultraviolet. Ce n’est pas, toutefois, la première simulation d’une éruption solaire, même si c’est la plus exacte.

Cette vidéo est extraite d’une animation de l’éruption solaire modélisée dans une nouvelle étude sur ordinateur. La couleur violette représente le plasma avec une température inférieure à un million de Kelvins. Le rouge représente des températures comprises entre un million et dix millions de Kelvins et le vert, des températures supérieures à dix millions de Kelvins. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © NCAR & UCAR Science

Reste que le travail des chercheurs force l’admiration car il a fallu coupler des simulations des régions du Soleil avec des conditions physiques différentes (températures, pressions, densités, intensités des champs magnétiques, etc.). Et ce n’est pas une mince affaire. Il a fallu, en effet, modéliser ce qui se passe jusqu’à environ 10.000 km de profondeur dans la région convective du Soleil, sous sa surface, et sur 40.000 km de hauteur au-dessus, dans la couronne solaire.

Les physiciens solaires ont démarré leur expérience numérique pour tester leurs modèles et algorithmes mathématiques en prenant comme conditions initiales celles déduites des observations d’une tache solaire particulièrement active, qui avait fait des douzaines d’éruptions solaires en mars 2014. Le succès fut au rendez-vous avec l’apparition automatique dans la simulation d’une telle éruption.

Les chercheurs ne veulent pas en rester là. Pour savoir s’ils sont vraiment sur la piste d’une météorologie solaire prédictive avec leurs travaux, ils veulent partir d’observations en direct du Soleil et voir si les prévisions des ordinateurs vont être couronnées de succès là aussi.

Ce qu’il faut retenir

  • Potentiellement redoutables pour nos activités sur Terre et dans l’espace, les éruptions solaires sont encore difficiles à prévoir.
  • Les chercheurs progressent dans les simulations numériques et ont réussi pour la première fois à reproduire le déroulement complet d’une éruption solaire.
  • Leurs travaux pourraient être une piste prometteuse dans le domaine des prévisions de la météorologie solaire.
Pour en savoir plus

Éruptions solaires : il sera bientôt possible de les prédire

Bien que surveillée en permanence, l’activité du Soleil reste encore très difficile à prévoir. Ce n’est pas faute d’essayer. Mais la science avance. À force de persévérance, une équipe internationale dirigée par Étienne Pariat, chargé de recherche au CNRS et travaillant à l’Observatoire de Paris, a peut-être mis en évidence un facteur capable de détecter à l’avance un événement éruptif.

L’activité du Soleil est un réel sujet de préoccupation au sein des agences spatiales. Il faut savoir que les éruptions solaires et les sursauts d’activité peuvent induire sur Terre des « perturbations majeures comme des interférences dans les télécommunications ou la mise hors service des réseaux électriques dans des régions entières du globe », nous explique Étienne Pariat, chargé de recherche au CNRS et coordinateur du Pôle de physique solaire à l’Observatoire de Paris. « La grande coupure de courant au Québec de 1989 est l’archétype des conséquences néfastes de l’activité solaire sur l’activité humaine. »

Dans l’espace, autour de la Terre, elles peuvent perturber nos activités en orbite et endommager l’électronique des infrastructures technologiques, qu’elles soient spatiales ou terrestres. Enfin, alors que se préparent les expéditions à destination de Mars et s’organise le retour sur la Lune, ces éruptions « peuvent mettre en danger la vie des astronautes lorsqu’ils seront à l’extérieur de la magnétosphère ».

Aujourd’hui, s’il existe de nombreux services dédiés à l’interprétation des observations du Soleil pour établir des prévisions liées à son activité, « malgré l’étude de nombreux paramètres, la probabilité de prédire une éruption majeure un jour à l’avance ne dépasse pas 40 % ». Pour arriver à les prévoir « comme les services météorologiques prévoient un orage sur Terre », les météorologues de l’espace ont besoin d’un paramètre « prédicteur ». Et ils l’ont peut-être trouvé.

Un facteur capable de détecter à l’avance un événement éruptif solaire

C’est ce qui a été réalisé dans l’étude qui vient de paraître dans le journal Astronomy and Astrophysics pilotée dans le cadre du programme HéliSol3 et ouvre ainsi la voie vers des prédictions plus performantes des éruptions solaires. Après avoir confirmé que « ni les énergies magnétiques ni l’hélicité du champ magnétique global ne remplissaient les critères d’un facteur prédictif », les scientifiques ont, « par une démarche mathématique complexe basée sur la séparation du champ magnétique en plusieurs composantes, mis au point le calcul d’un indice susceptible de pouvoir prévoir les éruptions ». Cet indice (qui compare deux hélicités de la zone potentiellement éruptive) a montré qu’il pouvait être un bon indicateur annonciateur d’une éruption. En simulant deux scénarios par ordinateur, l’un avec éruption et l’autre sans, cet indice « reste faible dans ces derniers, tandis que dans tous les autres cas, il s’élève sensiblement avant l’éruption ».

Ces résultats théoriques doivent maintenant être confirmés par l’analyse d’observations des régions actives solaires. C’est ce qui est entrepris actuellement dans le projet européen Flarecast qui vise à créer un système automatique de prédiction des éruptions.

Quelles sont les prochaines étapes de vos travaux ?

Étienne Pariat : Nous allons travailler sur plusieurs points. Premièrement, sur une meilleure compréhension des propriétés de l’hélicité magnétique qui reste encore très mal comprises. Nous allons aussi confirmer nos résultats avec d’autres simulations faites par ordinateur de l’activité du Soleil (ce que nous sommes d’ailleurs en train de faire). Le chantier le plus important reste à vérifier si en pratique nos travaux peuvent effectivement améliorer les prévisions des éruptions du Soleil. C’est ce que nous avons entamé. Le problème est que le prédicteur que nous avons identifié n’est pas directement mesurable à l’heure actuelle à partir des données d’observations. Nous devons donc avoir recours à des “proxys”, des mesures de substitutions. Nous travaillons à déterminer quels proxys peuvent avoir la même efficacité que le prédicteur que nous avons identifié.

À quand des prévisions fiables de l’activité du Soleil ?

Étienne Pariat : Tout dépend du niveau de précision que vous souhaitez obtenir. Les besoins pour les opérateurs de satellites, les responsables de missions humaines, les militaires, ne sont pas exactement les mêmes. Disons qu’à l’heure actuelle, la météorologie spatiale est, sur certains aspects, au stade où la météorologie terrestre était au XIXe siècle (processus physique non élucidé). Pour d’autres, nous serions dans les années 1960 (les processus sont connus mais il manque de structures, de données pour mettre en place une prévision efficace).

Quelles données ou instruments spatiaux et terrestres vous manque-t-il pour améliorer significativement vos prévisions ?

Étienne Pariat : Le Soleil est, après la Terre, l’objet le plus étudié. Une petite dizaine de satellites scrutent en effet notre étoile en permanence. C’est beaucoup et c’est peu en comparaison de notre planète. À l’heure actuelle, nous ne nous sommes jamais rapprochés du Soleil. Ce sera le cas de deux missions d’explorations spatiales qui seront bientôt lancées, Solar Proble + de la Nasa et le Solar Orbiter de l’Agence spatiale européenne (ESA). Mais ce sont des missions scientifiques qui nous permettront de mieux comprendre notre étoile. Pour obtenir des observations qui amélioreront significativement les prévisions, il faudra encore attendre de nombreuses années pour mettre en place des instruments spatiaux qui scruteront le Soleil depuis plusieurs points de vue, afin d’avoir au moins une vision de l’ensemble de sa surface en permanence.

Une meilleure connaissance de l’activité du Soleil aura-t-elle un impact sur la vie de tous les jours ?

Étienne Pariat : La question à se poser est quel sera l’impact plus tard dans la vie de tous les jours. L’activité solaire n’avait que peu de conséquences et était à peine connue il y a 40 ans. Avec le développement de technologies qui dépendent de satellites où celle-ci est de plus en plus miniaturisée, avec la pose de câbles sous-marins de plus en plus longs qui ont des tailles similaires à celle de la Terre, nous devenons de plus en plus sensibles à ce phénomène. Par exemple, dans un futur plus ou moins lointain, il est possible d’imaginer que des humains se rendront régulièrement sur la Lune où ils ne seront pas protégés par le champ magnétique terrestre. La météorologie de l’espace sera fondamentale pour permettre de se rendre sur notre satellite et de faire des sorties à sa surface.

Les satellites sont-ils vraiment exposés à ce risque ? Les progrès faits dans leur construction et la protection aux radiations apportés aux éléments les plus sensibles semblent suffisants ?

Étienne Pariat : Oui, le risque est réel. De nombreux satellites ont subi des avaries dans le passé en lien avec la météorologie de l’espace, certains ayant même été perdus. Protéger un satellite coûte cher et il n’est possible de se prémunir que jusqu’à un certain niveau des particules énergétiques provenant de l’espace. Les satellites sont particulièrement vulnérables au moment où sont envoyées certaines commandes sensibles (correction d’orbite, de position, par exemple). Une éruption qui entraine des erreurs de commande à ces instants peut être particulièrement critique.

Bientôt une prédiction des tempêtes solaires ?

Article de Laurent Sacco publié le 24 octobre 2014

Une équipe d’astrophysiciens a découvert des signes précurseurs d’une éruption solaire : une sorte de corde formée de lignes de champ magnétique émergeant de la surface du Soleil peu avant qu’elle ne survienne. On peut donc espérer une météorologie spatiale prévoyant les tempêtes balayant le Système solaire et affectant le champ magnétique de la Terre.

À la surface de notre étoile, des éruptions solaires surviennent de temps à autre et peuvent s’accompagner d’éjections de masse coronale spectaculaire (CME pour Coronal Mass Ejection en anglais). Des images de CME et d’autres éruptions solaires prises par les satellites SDO, Soho ou Hinode font régulièrement parler d’elles. Mais, à part pour leur intérêt esthétique et ce qu’elles peuvent apporter aux astronomes étudiant le Soleil et, à travers lui, la physique des autres étoiles, pourquoi a-t-on cherché à obtenir ces images en mettant en orbite des yeux pour observer continûment l’astre du jour ?

Les éruptions solaires sont les événements les plus énergétiques se produisant dans le Système solaire. Elles sont la manifestation de phénomènes liés à la dynamique des lignes de champ magnétique libérant de grandes quantités d’énergie dans presque tout le spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons X. Elles produisent aussi des particules accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière. Lorsque ces particules arrivent aux abords de la Terre, elles peuvent perturber fortement sa magnétosphère.

Des éruptions qui causent des black-out

Or, des fluctuations de champ magnétique induisent des champs électriques, de sorte que, sur notre planète, des courants électriques vont aussi apparaître dans des structures conductrices, comme les lignes à haute tension. Il peut alors se produire des black-out électriques comme celui qui a privé le Québec de la moitié de sa production électrique durant 9 heures en mars 1989.

La ionosphère, utilisée pour réfléchir les ondes radio des communications à longues distances, est elle aussi perturbée par les grandes éruptions solaires. Comme elles s’accompagnent de tempêtes d’électrons tueurs qui menacent l’intégrité et le fonctionnement des satellites, on comprend que le développement d’une sorte de météorologie spatiale est nécessaire pour protéger notre civilisation technologique des sautes d’humeurs du Soleil, en les anticipant.

Des chercheurs du Centre de physique théorique (CNRS/École Polytechnique) et du Service d’Astrophysique-Laboratoire AIM (CNRS/CEA/Université Paris Diderot) viennent d’annoncer dans un article publié dans le journal Nature qu’ils pensaient avoir accompli un pas important dans cette direction. Prédire à l’avance les éruptions solaires semble même maintenant une prouesse à portée de mains.

Les taches solaires annoncées par les cordes magnétiques

Ces éruptions sont liées à l’activité magnétique du Soleil au niveau des taches solaires. Elles apparaissent au moment où des lignes de différents champs magnétiques, enchevêtrées et torsadées comme une corde de chanvre, émergent de la surface de notre étoile. Il se forme une sorte de boucle complexe, un tube de champ magnétique torturé, qui s’élève de la surface du Soleil (la photosphère) à travers l’atmosphère solaire jusqu’à la couronne. Ce phénomène est virtuellement reproduit par des simulations numériques basées sur la physique des plasmas et nourries des observations des satellites solaires, de la même façon que les modèles de l’atmosphère terrestre bénéficient des mesures réalisées par les satellites.

Une météorologie spatiale pour les colons martiens

Or, dans la nuit du 12 au 13 décembre 2006, est survenue une éruption solaire qui s’est révélée à la longue riche d’enseignements pour les physiciens solaires grâce aux observations réalisés par le satellite japonais Hinode avant et pendant l’événement. Une équipe française, dirigée par Tahar Amari du Centre de physique théorique (CNRS/École polytechnique) à Palaiseau, utilisant les données d’Hinode, a mis en évidence l’existence d’une corde magnétique dans la région où devait se produire l’éruption. Les calculs réalisés sur le supercalculateur de l’Idris (Institut du développement et des ressources en informatique scientifique), le centre majeur du CNRS pour le calcul numérique intensif de très haute performance, ont permis de rendre compte de la formation et de l’évolution de cette corde magnétique quelques heures avant l’éruption observée par Hinode. L’énergie contenue dans la corde augmente au fur et à mesure qu’elle s’élève. Lorsque deux seuils, en altitude et en énergie, sont franchis alors l’éruption solaire se produit.

En théorie, en couplant des mesures en temps réel de l’évolution de l’état magnétique des taches solaires avec des simulations numériques adéquates, une anticipation d’une éruption solaire serait donc possible, au moins à échéance de quelques heures. Si des missions habitées à destination de Mars deviennent une réalité dans quelques décennies, les futurs explorateurs et colons martiens pourront donc réduire leurs risques d’attraper un cancer en s’enfermant quelques heures avant le début d’une tempête solaire dans un compartiment les protégeant des radiations.

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Survolez les fantastiques tempêtes de notre Soleil  L’activité du Soleil durant l’année 2013 racontée en images et en musique, grâce à une compilation des observations de la sonde Soho. Prises dans plusieurs longueurs d’onde (traduites par différentes couleur), ces images montrent des protubérances, des éruptions solaires et des tâches. © Nasa Goddard 

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