Post on 22-Jan-2018
Où en sommes-nous de la
prévision de l’activité solaire et
de ses impacts sur la Terre ?
La mission Solar Orbiter
Mercredi 8 Juin 2016
Société Astronomique de France
Etienne PARIAT
Taille de la Terre
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
L’activité solaire dans les media grand public …
« Perfect Disasters » ep. 2 ; Discovery Channel Films catastrophes liés à une éruption solaire
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Sites web typiques de “fin du monde”
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
… et sa RECENTE prise en charge institutionnelleC
on
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pac
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Fréquence / Probabilité
• Forum de discussion et de coordination à l’ONU
• Comité à l’agence météorologique internationale
• Plans stratégiques (trans-) nationaux:– Agence Spatiale Européenne:
Space Situational Awareness(SSA, depuis 2009)
– R.-U. Office cabinet (2012)
– Executive office of the US President (depuis 2015)
• Services de prévision dédiées– UK Met Office
– USA NOAA
– Armée Française
– …
Qu’est ce que l’activité solaire ?
Qu’est ce qu’une éruption solaire?
Quel est l’impact des éruption sur Terre?
Comment surveiller l’activité solaire?
Comment se déclenchent les éruptions ?
Un point sur Solar Orbiter: la prochaine mission européenne d’étude de l’héliosphère
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Qu’est ce que l’activité solaire ?
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Le Soleil pendant une semaine:
lumière visible
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre
Le Soleil en lumière visible
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La lumière visible émisse par le Soleil présente est quasiment constante dans le temps La « Constante » solaire
Le Soleil pendant une semaine:
Ultraviolet = atmosphère solaire
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Taille
de la
Terre
Le Soleil pendant une semaine:
Ultraviolet = atmosphère solaire
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
L’atmosphère solaire, observée en UV, présente de nombreuses et soudaines variations d’intensité lumineuse et de forme: ces
variations constituent l’activité solaire
Le Soleil en lumière visible
pendant une éruption majeure
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Taille
de la
Terre
Le Soleil en lumière visible
pendant une éruption majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre
Le Soleil en lumière visible
pendant une éruption majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre
Les régions actives
Taches solaires régions brillantes de l’atmosphère
source de l’activité solaire
régions actives
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre
L’activité solaire est omniprésente
• L’activité solaire se déroule sur une vaste gamme d’échelles:– temporelle
– spatiale
– énergétique
• La fréquence des éruptions est inversement proportionnelle à leur « taille ».
• Seules les éruptions solaires « majeures » posent un risque … mais ce ne sont pas nécessairement les plus violentes
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12hrs
4hrs
30mns
L’activité solaire est cyclique
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Le cycle solaire
• Minimum d’activité– Peu de taches
solaires
– Peu d’éruptions
• Maximum d’activité– Nombreuses taches à
la surface solaire
– ~5 éruptions/jour
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Qu’est ce qu’une éruption?
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Les interactions Soleil-Terre lors
d’une éruption solaire
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2) Particules énergétiques
1) Lumières
3) Ejection de Matière Coronale
Une éruption solaire majeure
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Taille de la Terre Durée: Apparition
en qqsminutes et dure qqsheures
Energie: 1026 J
- 1 milliard de fois Tsar Bomba
- 1 million de fois consommation mondiale annuelle d’énergie
- 1 millième énergie de la rotation terrestre
Embrillancement - « Flare »
• “Flare”: embrillancement soudain se développant dans l’ensemble du spectre électromagnétique
• Photons arrivent au niveau de l’orbite terrestre en ~500 s.
• Impact limité sur l’environnement magnétique terrestre
(Schrijver et al. 11)
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Les interactions Soleil-Terre lors
d’une éruption solaire
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2) Particules énergétiques
1) Lumières
3) Ejection de Matière Coronale
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Particules énergétiques
• Des particules de l’atmosphère solaires sont accélérés à des vitesses relativistes
– Faisceaux d’électrons de protons et de neutrons
• Certaines particules précipitent vers le Soleil: rubans d’éruption
• D’autres particules sont éjectées dans le milieu interplanétaire
Impact: rubans d’éruption
Faisceaux d’électrons : émission radio
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Particules énergétiques• Faisceau de particules énergétique
se propageant dans l’héliosphère:– génèrent des émissions radio lors de
leur propagation:
Nancay Radio Heliograph
Courtesy of E. Carley & P. Zarka
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Particules énergétiques
• Parfois ces particules finissent par arriver au niveau de la Terre– Arrivent à la Terre en ~10-15 minutes
– Faisceaux de particule très étroits: interaction rare: ~10 évènements/ cycle solaire
• Possèdent une énergie très importante(1 GeV =10-10 J) très fort pouvoir irradiant / destructeur (énergie liant 2 molécules ~ 10-18 J)
E= 4.15 GeVMoniteur
à neutrons(Kerguelen)
Protons relativistes
Impact: rubans d’éruption
Faisceaux d’électrons : émission radio
• Vecteur de l’interaction Soleil-Terre le moins bien connu
– un des principaux objectifs de la mission Solar Orbiter
Les interactions Soleil-Terre lors
d’une éruption solaire
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2) Particules énergétiques
1) Lumières
3) Ejection de Matière Coronale
Ejections de Masse Coronales (CME)
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Taille de
la Terre
CMEs: ejection violente de matière solaire vers l’héliosphère
Vitesse: 300-2000 km.s-1 ; Masse: 1010-1012 kg ; Energie: <1026 J
L’environnement proche du Soleil:Coronographe = éclipse artificielle
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
L’environnement proche du Soleil:Coronographe = éclipse artificielle
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Ejection de Masse Coronale lors
d’une éruption solaire majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Ejection de Masse Coronale lors
d’une éruption solaire majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Crédits: NASA
La propagation des Ejections de Masse Coronales dans le système solaire observée par STEREO
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Ejections de Masse Coronales
• CMEs: immenses structures magnétique
• Arrivent à la Terre en 1,5 – 4 jours
• Principal perturbateur de l’env. terrestre
– Masse importante de particule chargée
– Champs magnétique important pouvant interagir
avec le champ magnétique terrestre
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Les éjections de masse coronales
lors du maximum d’activité
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Quel est l’impact des éruption
sur Terre?
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Crédits: NASA SVS
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Les conséquences: l’agréable…
Crédits: NASAE.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
… et le moins agréable
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Les conséquences
• Dommages sur les satellites artificiels– Erreurs de fonctionnement
– Changements d’orbite
• Surtensions électriques– Réseaux électriques
– Oléoducs
• Coupure globale de courant électrique
• Perturbations des communications radio, du GPS, du trafic aérien
• Radiations sur humains– Astronautes
– Personnels naviguants
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Météorologie de l’Espace
• Prévoir et Quantifier les effets SPECIFIQUES et CUMULATIFS de l’impact de l’activité solaire sur les activités humaines.
• De plus en plus de centres de prévision:– NOAA: Space Weather Prediction center
– UE : ESA Space Situation Awareness program
– UK Met Office
– Armée Française
• Questions clefs:
– Si une éruption à lieu:
• Va-t’elle impactée la Terrre?
• Quels seront les dommages?
– Une éruption aura-t’elle lieu?
• Quand?
• Où?
• Quelle seront ses propriétés?
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Un peu de fiction scientifique
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Comment surveiller
l’activité solaire?
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Taille de la Terre
Crédits: NASAE.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
TRACESoHO
RHESSI
Hinode
STEREO
SDO
PICARD
GOES
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
TRACESoHO
RHESSI
Hinode
STEREO
SDO
Radioheliographede Nancay
Observatoire de Meudon
Observatoire du pic du midi
PICARD
THEMIS(Canaries)
GOES
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
TRACESoHO
RHESSI
Hinode
STEREO
SDO
Radioheliographede Nancay
Observatoire de Meudon
Observatoire du pic du midi
PICARD
THEMIS(Canaries)
Big Bear(USA) Mauna Loa
(Hawaii)
Huairou(Chine)
Hida (Japon)
VTT & Gregor (Canaries)
DOT (Canaries)
Nobeyama(Japon)
GOES
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Pourquoi autant d’instruments ?Surveillance temporelle la plus
complète possible …
Obtenir un diagnostic complet ….
… sans “toucher’’ l’objet d’étude IRM
Scanographie
Echographie
Echographie
TEP/ Tomographie
Radiographie X
Scintigraphie g
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Obtenir un diagnostic complet ….
… sans “toucher’’ l’objet d’étude
X Hinode
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L’atmosphère
solaire
Altitude (106 km)
Densité (g cm-3)
Presion (Dyne cm-2)
103 104 105 106
1 104 108
10-14 10-10 10-410-12 10-610-8
102 106
-5
0
10
15
Convection Zone
Phot. / Chrom.
Coronna
Temperature Atmo. Terre 300 1025 105
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAFAtmosphère solaire = milieu très chaud et très ténu
Les observations solaires
“une fréquence lumineuse = une température = une couche de l’atmosphère’’
Surface solaire
Basse atmosphère
Haute atmosphère
Haute atmosphère Espace proche
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Solar Dynamic Observatory
• SDO: Satellites NASA lancé en 2010
• 100 millionièmes images: 19 Jan 15 17h49 07s UT!
• Accès données: JHelioviewer
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Comment se déclenchent les
éruptions ?
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E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Les
taches
solaires
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Les
taches
solaires
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Magnétogramme = Carte
du champ magnétique
• Blanc: pôle
Sud / positif
• Noir : pôle
Nord négatif
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Magnétogramme = Carte
du champ magnétique
• Blanc: pôle
Sud / positif
• Noir : pôle
Nord négatif
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Magnétogramme = Carte
du champ magnétique
• Blanc: pôle
Sud / positif
• Noir : pôle
Nord négatif
• Les taches solaires correspondent à des concentrations de champ magnétique– Hale 1908
– Toujours au moins 2 taches de polarité magnétique opposé
Le champ magnétique solaire
• Régions actives = concentration magnétique intense.– Intensité champ
magnétique centre tâches solaires ~ 0.1T
• Champ mag. Terre: 5x10-5 T
• Aimant frigo: 0.01 T
• Instrument RMN: qqs 10 T
– Taille région active: 108 m
– Flux Magnétique: 1015
Wb!!!• Aimant Frigo: 10-5 Wb
• Champ mag. Terre: 1010 Wb
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Boucles
coronales
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Boucles
coronales
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Boucles
coronales
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Boucles
coronales =
lignes de
champ
magnétique
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Le
magnétisme
solaire
• Le champ magnétique structure les régions actives
• L’énergie magnétique est la source d’énergie des éruptions solaires.
• Comprendre l’activité solaire comprendre son champ magnétique
Accumulation de l’énergie
• Champ et énergie magnétique proviennent de l’intérieur solaire et sont apportés via “l’émergence de flux magnétique”
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CourtesyNASA SVS
L’émergence et l’éruptivité• Avant et durant une éruption solaire il n’y a pas de variation
brusque à la surface solaire
• De même que pour le volcanisme, nous ne connaissons pas de signes précurseurs aux éruptions solaires observable simplement.
(Liu & Schuk 12)E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Surface solaire (lumière visible) Champ magnétique
Au cœur des éruptions:
la reconnexion magnétique• Les éruptions
solaires sont liées à la reconfiguration brutale du champ magnétique
• La reconnexion magnétique est le mécanisme central des éruptions.
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Au cœur des éruptions:
la reconnexion magnétique• La reconnexion
magnétique entraine:
– Une reconfiguration globale du champ magnétique
– La transformation de l’énergie magnétique en d’autres forme d’énergies
• Chauffage
• Cinétique: particules et CMEs
• Rayonnement électromagnétique
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Le modèle standard
des éruptions• Un modèle standard des
éruptions solaire permet d’expliquer de nombreux phénomènes observés lors des éruptions solaires– embrillancements
– dynamique de la matière
• Capacité prédictive
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L’énigme du déclenchement
• L’ensemble des processus déclencheurs des éruptions solaires est aujourd’hui encore inconnu!
– Couplage entre mécanismes se déroulant à des échelles très différentes
• Grande tailles, 107-109 m: régions actives, stockage de l’énergie
• Petites tailles, 0.1-10 m: reconnexion
• Il est aujourd’hui impossible d’identifier directement quels sont les mécanismes déclencheurs
– Observation: meilleure résolution ~50 km
– Expériences de laboratoire: conditions trop différentes
– Calcul sur ordinateur• Puissance nécessaire:~1030-38 unités à
étudier simultanément
• Capacité actuelle:~1012 unités traitées
• Pas de prévisions déterministes des éruption solaire
1 mE.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
108 m
• Prévisions basées sur des modèles empiriques– par comparaison avec les
éruptions passée
– Fonctionne seulement avec des fenêtres temporelle large (> 24h)
• Chance de prédire une éruption majeure: ~40%
• Prédiction quantitatif de l’impact inexistant
• Surveillance essentiellement
Prédiction des éruptions
(Falconer et al. 11) E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
• Nos capacités d’alerte se limitent à l’impact des éjections de masse coronales
• Aucune information sur l’impact des « flares » et sur les particules énergétiques
• La recherche scientifique reste le principal moteur dans ce future secteur d’activité.
La surveillance de l’activité solaire
FLARECAST
• FLARECAST: projet européen de construction d’un service de nouvelle génération de prévision automatique des éruptions– Consortium européen
réunissant 8 laboratoires dans 6 pays.
• Prédiction solaire à l’heure du « Big Data »– extraction automatique des
propriétés des régions actives
– utilisation de méthodes d’exploration de données et d’intelligence artificielle
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Grant agreement No.640216
Conclusions (1)
• La météorologie de l’espace est un domaine en pleine maturation
• Besoin encore important de recherche théorique pour comprendre les conditions nécessaires lors du déclenchement des éruptions.
• Solar Orbiter : nouvelle mission européenne d’exploration visant à obtenir un nouvel éclairage de certains des mécanismes les moins bien compris de la relation Soleil-Terre
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF