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l’atmosphère du Soleil est assez inhabituelle

La couche la plus externe de l’atmosphère du Soleil est assez inhabituelle. Appelée la couronne solaire,elle est énorme, s’étendant sur des millions de kilomètres au-dessus de sa surface comme une aura brillante de plasma qui peut être visible dans les éclipses solaires totales ou sur les photographies prises par des observatoires spécialisés dans l’observation du soleil. Mais le plus grand mystère de la couronne solaire n’est pas sa taille, mais de comprendre pourquoi la couronne solaire est tellement plus chaude que sa surface. Plus de mille fois plus chaud. Comme la surface du soleil a une température de 5 770 Kelvin, la couronne solaire s’élève facilement à 1 million de Kelvin.

Illustration de la couronne solaire lors de l’éclipse totale de Soleil du 28 mai 1900.

Le vent solaire a été proposé pour la première fois à la fin des années 1950 par Eugene Parker, professeur à l’Université de Chicago, tout en essayant de répondre à la question « y a-t-il des particules qui sortent du Soleil? ». Au début, cette hypothèse semblait extrêmement improbable, après tout, la Terre a une atmosphère et elle ne vole pas, de sorte que de nombreux astrophysiciens ont ignoré cette possibilité attribuant que la même chose est arrivée au Soleil.

Photo de la comète McNaught, entre janvier et février 2007. La queue des comètes est toujours dans la direction opposée au Soleil en raison de l’action des vents solaires.

Mais il y a un phénomène curieux qui préoccupe déjà de nombreux scientifiques : la queue des comètes. Quelle que soit la direction dans laquelle les comètes se déplacent, leur queue pointera toujours vers le côté opposé du Soleil. C’est comme si le soleil soufflait la queue de la comète. Eugene Parker est ensuite allé à son cul et a commencé à faire des calculs. Il a émis l’hypothèse que si la couronne solaire dépasse 1 million de degrés, alors il doit y avoir des particules qui se dilatent au-delà de son atmosphère et finissent par gagner des vitesses très élevées. Plus tard, Parker donnera à ce phénomène le nom de « vent solaire ».

Parker a écrit son article (intitulé « Dynamics of Interplanetary Gas and Magnetic Fields ») et l’a soumis pour publication dans l’Astrophysics Journal,une revue scientifique très réputée spécialisée en astrophysique. Au cours de l’examen, les réponses reçues ont été rapides et énergiques. « Vous devez comprendre à quel point cela semblait incroyable quand il l’a proposé. Que ce vent non seulement existe, mais qu’il se déplace à une vitesse supersonique ! »a déclaré un de ses collègues, professeur d’astronomie et d’astrophysique à la même université.

Eugene Parker, astrophysicien américain qui a développé la théorie du vent solaire.

Avec beaucoup de chance, le rédacteur en chef du magazine à l’époque était Subrahmanyan Chandrasekhar, le collègue d’Eugene Parker à l’université. Comme Chandrasekhar n’a rien trouvé de mal dans les calculs de Parker, il a simplement ignoré les critiques des critiques et a publié l’article. À peine trois ans plus tard, la NASA a lancé le vaisseau spatial Mariner II pour Vénus, la première sonde spatiale de l’histoire à arriver sur une autre planète. Lors de son voyage vers la planète voisine en 1962, la sonde a recueilli des données sur l’environnement interplanétaire et les résultats ont été impressionnants: le vent solaire était vraiment réel.

Comment les vents solaires se développent-ils?

La couronne solaire est si chaude que la gravité du soleil ne suffit plus à maintenir sa cohésion. Ces particules acquièrent une grande quantité d’énergie cinétique et s’échappent simplement dans l’espace, voyageant à travers le système solaire dans toutes les directions. C’est le vent solaire. Lorsque le Soleil tourne, il crée des tourbillons complexes de particules et celles-ci, principalement des protons et des électrons, sont accélérées jusqu’à environ un million de miles par heure lorsqu’elles traversent la Terre.

Ces particules de plasma chargées électriquement ont de fortes interactions avec les champs électromagnétiques. Le champ magnétique que la Terre produit piège et réfléchit le vent solaire, comme s’il s’agissait d’un bouclier. Cependant, dans les périodes de forte activité, le Soleil peut éjecter de la matière, envoyant des millions de fois plus de particules dans l’espace. C’est ce qu’on appelle l’éjection de masse coronale,et si l’un de ces coups le chaos terrestre pourrait être institué. Le champ magnétique terrestre ne suffit pas à nous protéger des tempêtes solaires extrêmement fortes et pourrait faire tomber nos satellites de télécommunications et GPS et menacer la santé des astronautes dans l’espace.

Photo-composition des structures du vent solaire observées lors de l’éclipse solaire totale du 21 août 2017.

Bien qu’ils soient potentiellement dangereux pour notre planète, les vents solaires jouent également le rôle de protéger notre système solaire des rayons cosmiques hautement énergétiques qui traversent le milieu interstellaire, les gardant à l’extérieur. Ce genre de dôme que le Soleil crée autour de notre système s’appelle une héliosphère.

La pleine compréhension des vents solaires ouvrira une nouvelle frontière pour l’humanité : les voyages habités. Voyager sur Mars n’est pas seulement simple non seulement en raison du soutien de la vie, comme l’air et l’eau, mais aussi parce que les astronautes seront loin de la protection du champ magnétique terrestre. Les particules hautement énergétiques peuvent même provoquer des micro-trous dans le fuselage des engins spatiaux, sans parler des effets sur notre propre corps. C’est pourquoi il est si important de développer des technologies capables de prédire les tempêtes solaires, mais le plus grand obstacle à la « prévision météorologique » spatiale est que nous ne savons toujours pas comment la couronne solaire fonctionne réellement et pourquoi il fait tellement plus chaud.

D’où viennent les aurores boréales?

Populairement, les aurores sont connues sous le nom d’aurores boréales, mais l’histoire n’est pas tout à fait vraie. Les aurores boréales sont les phénomènes qui se produisent dans l’hémisphère nord, mais les aurores peuvent se produire dans n’importe lequel des pôles, que ce soit au pôle nord ou au pôle sud. Les aurores qui ont lieu dans l’hémisphère sud sont appelées aurores du sud. L’aurore australe n’est pas aussi célèbre que sa sœur jumelle de l’hémisphère nord car l’hémisphère sud sous le cercle polaire antarctique est très peu peuplé. En fait, sa population est pratiquement nulle. Comme le cercle polaire arctique traverse des pays comme la Norvège, la Russie, le Canada et la Finlande, le cercle polaire antarctique ne coupe que le continent de l’Antarctique. Même le parc national du Cap Horn à Fireland, le point le plus méridional de l’Amérique du Sud, ne se rapproche pas du cercle polaire antarctique.

Magnétosphère terrestre et lignes de champ magnétique (en violet) déformées par l’interaction avec les vents solaires (flèches rouges).

Ces belles « aurores boréales » (du latin, aurores boréales)sont le résultat direct de l’interaction des vents solaires dans la magnétosphère terrestre. Tout comme l’atmosphère est l’air entourant un corps céleste, la magnétosphère est l’ensemble du champ magnétique qui entoure un corps céleste. Le champ magnétique terrestre est généré de la même manière que le solaire : le mouvement du fer et du nickel fondu à l’intérieur de la Terre produit des courants électriques, ce courant électrique produit un champ magnétique par induction.

Juste avant, nous avons vu que les vents solaires sont essentiellement des particules chargées électriquement telles que des protons et des électrons. Ces particules interagissent fortement avec les champs magnétiques, créant une sorte de bouclier. Ce bouclier empêche ces particules mortelles du Soleil d’atteindre la surface de la Terre, gardant notre atmosphère intacte et permettant l’émergence de la vie sur la planète. Même, on suppose que Mars est intemporelle parce que, au fil des époques, elle a perdu son champ magnétique, son atmosphère et son eau ayant été balayées dans l’espace en raison des vents solaires. Sans le champ magnétique, notre planète aurait sûrement un sort très similaire.

La Terre a une ceinture de radiation, appelée ceinture de Van Allen. Cette ceinture est essentiellement formée par des particules de vent solaire qui sont piégées par notre champ magnétique. Ces particules énergétiques provenant du Soleil sont piégées dans cette boucle des lignes de champ et sont empêchées d’atteindre la surface de la planète. Cependant, une partie des particules reçues par les vents solaires peut se déplacer à travers ces lignes de champ vers les pôles magnétiques, où ces lignes sont ouvertes, tout comme les lignes de champ près d’un aimant forment une boucle, quittant le pôle sud et se trouvant au pôle nord, mais sont ouvertes aux extrémités.

Les particules chargées du vent solaire sont déviées ou piégées dans la ceinture de Van Allen (zone verte). Mais certaines de ces particules sont conduites dans notre atmosphère à travers les pôles magnétiques (flèche noire). Ces particules ionisent notre atmosphère, émettant de la lumière : les aurores.

Ces particules chargées électriquement par le vent solaire, poussées vers les pôles à travers les lignes de champ de la magnétosphère, entrent ensuite en collision avec les atomes de l’atmosphère. Ces atomes gagnent de l’énergie, ce qui fait que leurs électrons se déplacent vers des orbitales plus énergétiques, les ionisant. Lorsque les électrons reviennent à des énergies plus faibles, cette énergie est libérée sous forme de photons, que nous voyons comme de la lumière visible. Les aurores.

Le spectre d’émission des atomes qui composent notre atmosphère provoque la luminosité dans les couleurs rouge, vert et bleu.

La couleur des aurores, ainsi que la couleur de tout gaz ionisé, dépendent de leur composition et de leur densité. L’air que nous respirons n’est pas entièrement homogène, sa composition varie en fonction de l’altitude en raison de la différence de densité des molécules d’air. Dans les couches les plus élevées de notre atmosphère, à plus de 240 km de la surface, l’oxygène ionisé brille en rouge, de sorte que les aurores les plus hautes sont rouges. Cependant, la plupart du temps, les particules solaires entrent en collision avec une intensité énergétique plus importante entre 100 et 240 km. À cette altitude, la composition et la densité d’air plus élevée favorisent la lueur verte. Il y a des aurores bleues, elles se produisent lorsque le vent solaire peut atteindre les couches inférieures de l’atmosphère, en dessous de 100 km. Une densité encore plus élevée et un air riche en azote favorisent la luminosité bleue. Ces aurores sont très rares et se produisent en période de fortes tempêtes solaires.

Les aurores sont plus fréquentes pendant la période maximale solaire, lorsque le vent solaire est plus intense et que plus de particules perturbent la magnétosphère terrestre et peuvent être transportées par des lignes de champ magnétique vers les pôles, ionisant notre atmosphère et la faisant briller.

Références

  • CRANMER, S. R. Origine du vent solaire. Oxford Research Encyclopedia of Physics. Disponible en: <https://oxfordre.com/physics/view/10.1093/acrefore/9780190871994.001.0001/acrefore-9780190871994-e-18>. Accès : 27 septembre. 2021.

  • MCNAUGHT, R. H. La magnifique queue de la comète McNaught. Image astronomique du jour. Disponible en: <https://apod.nasa.gov/apod/ap070122.html>. Accès : 28 septembre. 2021.



01/10/2021
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