2011

c’est ClasseL’Espace

Sur les rayons du Soleil

Jean-Yves Prado, CNES Toulouse

Plan

• Le Soleil Généralités, comment on l’étudie Sa variabilité

• Le Climat terrestre Les acteurs Le rôle possible du Soleil sur son évolution

• La mission PICARD• Mesures du diamètre solaire lors des éclipses• Importance historique des éclipses solaires

Crédit: Gérard Thuillier, François Buisson, Patrick Rocher…

• Une étoile ordinaire arrivée à la moitié de sa vie: ~ 4 milliards d’années

• Rayon ~ 700.000 kilomètres

• Température de surface environ 5500 °K d’où sa couleur jaune

• Tourne sur lui-même en 28 jours en moyenne (24 jours à l’équateur, 32 jours aux pôles)

• Emet en permanence un flux de particules ionisées: le vent solaire

• C’est une étoile variable avec un cycle de 11 ans (+/- 2 ans)

• La Terre lui tourne autour à une distance moyenne de 150 millions de kilomètres (Unité Astronomique)

• Diamètre angulaire @1UA: ~ ½ degré= 32’= 1960’’

• Le Soleil est objet d’étude parce qu’il conditionne notre existence et aussi parce que c’est la seule étoile que l’on peut étudier en détail

Le soleil

L’héliosismologieLa méthode d’investigation de l’intérieur du Soleil

A l’intérieur du Soleil

La partie la plus variable du spectre solaire (UV/EUV) n’atteint pas la surface

Le spectre du Soleil

La variabilité du Soleil

Eruptions

PICARD CS#5 11 July Solar Eclipse JY Prado Davos, December 1st, 2010

Bastille Day Event

VISIBLE

E Ultra Violet (EIT)

La variabilité du Soleil

1625

Les taches solaires, indice historique de l’activité solaire

prévision des cycles à venir

Historique des cycles

Le rôle du Soleil sur l’évolution du climat terrestre

Modèle du climat

Eclairement solairetotal et spectral

GES, aérosols

Calcul des paramètresdu climat (ex. T) Comparaison Données du

climat

Logique de modélisation du climat

Modèles du climat terrestre incluant tous les phénomènes physico-chimiques, radiatifs,dynamiques, et les interactions entre l’atmosphère et les surfaces continentales etocéaniques.

GIEC 2001

Les acteurs du climat (1/2)

Comment des changements peuvent-ils se produire et quels peuvent être leurs mécanismes ?

•LE SOLEIL : Qui en eut le premier l’idée ? Sans doute Riccioli, astronome italien qui exprimait son embarras à propos de la

relation soleil/climat (1651) : « Le soleil présente de moins en moins de taches. En conséquence, la chaleur

atteignant la Terre devrait être plus importante et paradoxalement, le climat est de plus en plus froid ! »

Diminution du nombre de taches et rigueur du climat étaient deux faits avérés. Mais le rôle de facules solaires (http://www.cnrtl.fr/definition/facule) n’était pas alors compris.

•LE VOLCANISME : Le rôle des poussières dans les variations climatiques a été proposé par Benjamin Franklin après l’hiver très rigoureux de 1783-1784 qui suivit des éruptions majeures en Islande.

Les acteurs du climat 2/2

LES EMISSIONS ANTHROPIQUES D’AEROSOLS, DE GAZ ET DE POUSSIERES

GES :

CO2 et CH4 sont d’origine naturelle. La combustion du carbone fossile

et l’élevage intensif contribuent à leur augmentation.CFC et HCFC: leur concentration diminue (protocole de Montréal).HFC: leur concentration augmente car ils remplacent les CFC. Leur

efficacité effet de serre est environ10000 fois plus grande que celle du CO2.

Ozone

AEROSOLS : la combustion de la biomasse émet de la poussière.

L’OROGRAPHIE: effet des reliefs sur les vents, les sols…

ACTEURS ROLE

SOLEIL En raison de son activité variable et des paramètres orbitaux de

la Terre (théorie de Milankovitch), puissance totale et spectre

varient.

Volcans Emission de poussière, de CO2 et de molécules acides

Atmosphère Composition (H2O, GES). Nuages. Mouvements de l’atmosphère

Aérosols Origine détritique, anthropique et biologique

Albédo Océans (0.1) et continents (0.1 to 0.8)

Océan Circulation thermohaline et de surface. Dissout et émet du CO2

en fonction de sa température

Biosphère Emet/absorbe CO2. Emet CH4, et modifie l’albédo des sols

Orographie Vents. Emission massive d’eau douce

Les acteurs du système climatique

IPCC, 2007

Evolution historique des gaz à effet de serre

Les modèles climatiques et la reconstruction de l’éclairement solaire total

• Une fois un modèle construit, il faut déterminer ses entrées pour qu’il calcule la température à une période donnée, par exemple pendant le minimum de Maunder.

• Le résultat du calcul est comparé avec les observations et l’accord ou le désaccord permet d’évaluer la performance du modèle.

• La concentration des GES : connue

• Les aérosols : assez bien connus

• Eclairement solaire : plus ou moins bien reconstruit, objet de discussions passionnées.

• Deux problèmes : les désaccords sont plus grands que les incertitudes évaluées à l’aide des caractéristiques des instruments.

• La variabilité déduite des mesures entre les deux minima des cycles 21-22 et 22-23 n’est pas unique.

Mesure de l ’éclairement total

Variation séculaire de l’éclairement solaire total

ACTIVITESOLAIRE

Activité solaire croissante production 14C décroissante

Les variations de concentration de 14C sont en accord avec les variations du nombre de taches solaires.

Variation de la concentration des isotopes cosmogéniques

Mécanismes possibles de connexion Soleil-Climat

• Effet radiatif direct : La variation de 0.1% pendant le cycle de 11 ans ne peut pas créer une grande variation de

température (0.06 K, North et al. 2004). Les données (taches, …) montrent qu’il existe des variations plus grandes que 0.1 % et s’étendant

sur de longues durées. Ex. le minimum de Maunder. Néanmoins, la variation de l’éclairement total serait de l’ordre de 0.2 %. Un processus amplificateur est nécessaire.

• Rayons cosmiques agissant sur la formation des nuages ?

• Précipitations de particules : elles agissent dans la stratosphère par formation de NOX [O3] ↓ modification de la température, de la dynamique et de l’effet de serre intrinsèque à O3.

• La variabilité UV modifie la concentration de l’ozone dans la stratosphère et par suite sa structure thermique et sa dynamique

Si la variabilité de l’éclairement total est 0.1%, à 200 nm, la variation est de 8%. De plus, l’effet sur la structure de la stratosphère est non linéaire.

Crowley et al, 2000

___ Température mesurée

___ Température calculée (Soleil + aérosols)

___ Température calculée (Soleil + aérosols + GES)

Evolution des températures selon différents paramètres

Entrées :SoleilGESAérosols

IPSL

(aérosols + Soleil )(GES)

Modélisation climatique

La variation du nombre de tachesen fonction du temps

• Le cycle le plus évident est un cycle de 11 ans qui ne fut découvert qu’en 1843 par un pharmacien, H. Schawbe, passionné d’astronomie après 18 ans d’observation.

• R. Wolf collecta toute les observations et organisa la méthode d’observation dans les observatoires européens.

Température

Modèles

Minimum de Maunder Minimum de Dalton Maximum Actuel

Le modèle du Goddard Institute for Space Studies-General Circulation Model (GISS-GCM) indique des variations régionales de la température pendant le minimum de Maunder.

Shindell et al., Science, 2001

Variations régionales de la température pendant le minimum de Maunder

Conclusion préliminaire

• Le système climatique est très compliqué en raison du couplage entre l’atmosphère et la surface et en raison de rétroactions positives. Il y a trois forçages externes principaux qui ont leur propre variabilité :

Soleil L’activité volcanique Les actions anthropiques:

• Au plan de la modélisation, il existe plusieurs difficultés, en particulier, la nébulosité, la reconstruction de l’éclairement solaire total et spectral.

• Les températures sont elles-mêmes l’objet de discussions.

• Au plan des mesures, le problème de la valeur absolue de l’éclairement solaire total doit être résolu ainsi que la tendance.

• Etant donné l’évolution prévue de la concentration des GES, la prévision de l’activité solaire à quelques dizaines d’années est nécessaire.

http://www.astrosurf.com/toussaint/dossiers/soleil_lestaches/taches5.htm

http://media4.obspm.fr/public/AMC/pages_introduction-soleil/atmosphere-solaire_impression.html

http://www.cnrtl.fr/definition/facule