Où en sommes-nous de la Prévision de lactivité solaire et de ses impacts sur la Terre?

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


Sites web typiques de “fin du monde”


… et sa RECENTE prise en charge institutionnelleC

on

séq

ue

nce

/im

pac

t

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


Qu’est ce que l’activité solaire ?


Le Soleil pendant une semaine:

lumière visible


Taille

de la

Terre

Le Soleil en lumière visible


La lumière visible émisse par le Soleil présente est quasiment constante dans le temps La « Constante » solaire


Ultraviolet = atmosphère solaire


Taille

de la

Terre


Ultraviolet = atmosphère solaire


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


Taille

de la

Terre

Les régions actives

Taches solaires régions brillantes de l’atmosphère

source de l’activité solaire

régions actives


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


12hrs

4hrs

30mns

L’activité solaire est cyclique


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


Qu’est ce qu’une éruption?


Les interactions Soleil-Terre lors

d’une éruption solaire


2) Particules énergétiques

1) Lumières

3) Ejection de Matière Coronale

Une éruption solaire majeure


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)






1) Lumières



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


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


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





1) Lumières


Ejections de Masse Coronales (CME)


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


Ejection de Masse Coronale lors

d’une éruption solaire majeure


Crédits: NASA

La propagation des Ejections de Masse Coronales dans le système solaire observée par STEREO


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


Les éjections de masse coronales

lors du maximum d’activité


Quel est l’impact des éruption

sur Terre?


Crédits: NASA SVS


Les conséquences: l’agréable…

Crédits: NASAE.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

… et le moins agréable


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


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?


Un peu de fiction scientifique


Comment surveiller

l’activité solaire?


Taille de la Terre

Crédits: NASAE.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

TRACESoHO

RHESSI

Hinode

STEREO

SDO

PICARD

GOES


http://trace.lmsal.com/TRACElinks.html


TRACESoHO

RHESSI

Hinode

STEREO

SDO

Radioheliographede Nancay

Observatoire de Meudon

Observatoire du pic du midi

PICARD

THEMIS(Canaries)

GOES




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


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


Obtenir un diagnostic complet ….

… sans “toucher’’ l’objet d’étude

X Hinode


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


Solar Dynamic Observatory

• SDO: Satellites NASA lancé en 2010

• 100 millionièmes images: 19 Jan 15 17h49 07s UT!

• Accès données: JHelioviewer


Comment se déclenchent les

éruptions ?



Les

taches

solaires


Magnétogramme = Carte

du champ magnétique

• Blanc: pôle

Sud / positif

• Noir : pôle

Nord négatif


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


Boucles

coronales



Boucles

coronales =

lignes de

champ

magnétique


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”


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.


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


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


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


• 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


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


Où en sommes-nous de la Prévision de lactivité solaire et de ses impacts sur la Terre?

Science

Transcript of Où en sommes-nous de la Prévision de lactivité solaire et de ses impacts sur la Terre?