En raison de la rotation rigide de la zone radiative et de la rotation différentielle de la zone convective, les vitesses varient rapidement à l'interface entre les deux régions. Cette zone particulière est appelée la tachocline.

La faible épaisseur de la tachocline implique la présence d'une forte turbulence et de champs magnétiques horizontaux importants. Cela crée des conditions favorables à l'efficacité du mécanisme dynamo dont l'existence est indispensable pour expliquer l'amplitude du champ magnétique solaire et ses variations cycliques. Pour résumer, le champ magnétique est induit par la rotation interne du gaz conducteur de courant électrique.

Le mécanisme de dynamo est compliqué du fait de la rotation différentielle du Soleil. Sans rentrer dans les détails, le film de cette page montre l’évolution du champ magnétique solaire sous l’influence de la rotation du Soleil.

La dynamo solaire serait à l’origine du champ magnétique du Soleil, à grande échelle. Cependant, d’autres dynamos pourraient avoir lieu plus près de la surface du Soleil et expliqueraient la présence des petits tubes de flux magnétiques que l’on observe entre les granules de la photosphère. Cette question reste néanmoins encore ouverte.

Les taches solaires, les boucles coronales, les protubérances sont le signe de la présence de champ magnétique. Mais pour comprendre les mécanismes physiques qui gouvernent l’évolution de ces structures, il est aussi intéressant de connaître la polarité (l’orientation nord ou sud) ainsi que l’intensité du champ dans ces régions.

Un magnétogramme est une carte du Soleil montrant l’orientation (la polarité) des lignes de champ magnétique. Généralement, il s’agit juste de la composante dirigée selon la ligne de visée (direction Soleil-observateur), autrement appelée composante longitudinale.

En haut : carte en lumière blanche de la surface solaire montrant les taches solaires ; En bas : le magnétogramme correspondant indiquant les polarités des régions magnétiques (noire pour une polarité négative). Les zones grises correspondent à des régions sans champ magnétique détectable par l'instrument. Observations obtenues le 13/05/2005

Crédit : SOHO-MDI/ESA - NASA (extrait de l'Active Monitor Region - Big Bear)

La figure ci-contre présente une observation de la photosphère obtenue le 13/05/2005. Elle montre la présence de différents groupes de taches solaires (identifiés par leur index international NOAA). La grille de coordonnées héliographiques (voir la section suivante) a été ajoutée pour repérer plus facilement les structures.

La deuxième image indique l’orientation (la polarité) des lignes de champ magnétique. Les zones noires représentent des régions où le champ magnétique s’éloigne de l’observateur (polarité négative). Dans les zones blanches, les lignes de champ magnétique pointent vers l’observateur (polarité positive). Les zones grisées sont des régions de champ magnétique d’intensité faible. En effet, dans les taches, le champ magnétique peut atteindre quelques milliers de Gauss (1 Gauss = 10^-4 Tesla), tandis qu’en dehors de ces régions (et hors petits tubes de flux) il est de l’ordre de 10 Gauss.

Un autre point est remarquable : les taches de tête (les plus à l’ouest, c’est-à-dire à droite sur le magnétogramme) sont d’une polarité dans un hémisphère (positive dans l’hémisphère nord dans le cas présenté) et de l’autre polarité dans l’autre hémisphère (négative dans l’hémisphère sud). Ces orientations se maintiennent pendant 11 ans et s'inversent au cycle suivant.

Les taches et groupes de taches sont soumis à l’orientation globale de champ magnétique solaire, mais se comportent aussi comme si un aimant était placé juste sous la surface. Nous avons maintenant les éléments suffisants pour comprendre le cycle solaire et l’activité solaire (tout du moins dans la mesure des connaissances actuelles …).

Samuel Heinrich Schwabe (1844) a montré que le nombre apparent de taches sur la surface du Soleil suivait un cycle périodique de 11 ans (voir premier graphe de la figure).

Edward Walter Maunder (1904) compléta la description en montrant que les taches apparaissaient tout d’abord aux hautes latitudes (maximum 40°) puis de plus en plus bas à mesure que le cycle avançait (minimum 5°). Cette description est connue sous le nom de « Diagramme Papillon » (voir second graphe de la figure). A cette époque, le caractère magnétique des taches solaires n’était pas connu. C’est Georg Ellery Hale qui le mit en évidence au début du XXe siècle.

Nombre moyen de taches solaires

Evolution temporelle du nombre moyen de taches solaires par mois entre 1750 et 2000

Crédit : NASA

Diagramme Papillon

Variation de la latitude d’apparition des taches solaires en fonction du temps pour les deux hémisphères solaires. EQ : Equateur Solaire ; 30N : 30° de latitude Nord ; 30S : 30° de latitude Sud.

Crédit : NASA

Ce cycle de 11 ans appelle le cycle solaire. La période de 11 ans est en fait une valeur moyenne. Entre 1700 et aujourd’hui les cycles ont varié entre 9 ans et 14 ans pour les valeurs extrêmes.

On peut facilement constater d’après la première figure que le nombre de taches au cours de chaque cycle varie énormément. Il est très difficile, encore à l’heure actuelle, de prévoir les niveaux du cycle à venir et de nombreuses équipes y travaillent à travers le monde. La figure suivante montre la prévision pour le nouveau cycle (numéro 24) dont le début est prévu pour la mi-2007.

Nombre de taches solaires au cours du cycle solaire 23 (1996-2007) et la prévision pour le cycle 24 (2008-2019). En fait, le nouveau cycle n’a toujours pas vraiment commencé : à la mi-2009, le nombre de taches observées sur le Soleil est encore proche de zéro (mais les quelques taches apparues ont la nouvelle polarisation). La photo de fond est une image du Soleil en rayon X. La grande zone noire est un trou coronal, tandis que les zones les plus brillantes correspondent à des régions actives du Soleil.

Crédit : NASA/MSFC/Hathaway

Enfin, le « vrai » cycle solaire est plutôt de 22 ans si l’on tient compte de la polarité globale du Soleil. En regardant le Soleil dans sa globalité (grande échelle), il se comporte comme si une barre aimantée, placée en son centre, tournait de façon plus ou moins régulière. Après 11 ans, les pôles nord et sud sont inversés ; il faut attendre de nouveau 11 ans (en moyenne toujours) pour retrouver l’orientation initiale des pôles. La Terre aussi a vu l'inversion de l'orientation de ses pôles magnétiques dans son histoire. La dernière fois, c’était il y a 740 000 ans …

L’aspect du champ magnétique à grande échelle change considérablement au cours du cycle (voir figure).

Orientation des lignes de champ magnétique

Orientation des lignes de champ magnétique coronal (en violet) lors d’un minimum solaire (en haut), du maximum suivant (au milieu) et du minimum suivant (en bas). L’axe Nord-Sud se réfère à l’axe de rotation du Soleil

Crédit : Observatoire de Paris - Adapté du dessin original de B. Forsyth

Le cycle solaire est aussi un indicateur de l’activité éruptive du Soleil. Le nombre d’éruptions solaires suit en effet la même courbe : réduit au moment du minimum des cycles, il augmente très fortement pour atteindre un maximum aux alentours du maximum du cycle (en fait, les derniers travaux sur le sujet sembleraient montrer que le maximum d’activité est atteint environ deux ans après le maximum du cycle).

Bien sûr, tout ceci n’est que statistique et ne concerne que le nombre d’éruptions. Du point de vue de l’intensité, de très fortes éruptions sont souvent enregistrées pendant la phase de décroissance des cycles.

Ce sont des éruptions qui se déroulent dans la chromosphère et la couronne solaire. Elles ont lieu au sein de régions comprenant plusieurs taches solaires. Ces zones sont alors appelées « régions actives ».

La phase de croissance d’une éruption ne dure que quelques minutes (voir la figure). Actuellement, il est encore difficile de prévoir l’heure d’une éruption ainsi que son intensité. Dans la plupart des cas, on peut, au mieux dire que le risque (ou la chance !) est important ou non selon le degré de « complexité » des lignes de champ magnétique à l’intérieur d’une région active. Une tache solaire isolée et bien « circulaire » a peu de chance de générer un flare. Par contre, si plusieurs taches de polarité opposées sont présentes dans une zone relativement peu étendue, les risques d’éruption sont beaucoup plus grands. Un exemple est donné dans cette figure.

Magnétogramme du Soleil le 28/10/2003. Quasiment toutes les régions actives ont donné des flares plus ou moins importants ce jour là, mais en particulier la région identifiée 10486 (-10˚Ouest ; -20˚Sud) a donné lieu à l’éruption la plus intense jamais enregistrée.

Crédit : SOHO-MDI ESA - NASA (extrait de l'Active Monitor Region - Big Bear)

Les éruptions s’accompagnent d’intense rayonnement électromagnétique, notamment dans la gamme des rayons X. Pour décrire une éruption, on utilise une échelle logarithmique basée sur l’intensité en Watts du rayonnement X (dans la gamme 1 à 8 Angstroem).

On parle d’un flare de classe A, B, C, M ou X (dans l’ordre croissant). Il y a un facteur 10 en intensité entre deux classes. A l’intérieur d’une même classe, on donne un chiffre (entre 1 et 9.9) qui précise le degré d’intensité. Une éruption de classe M est plus intense qu’une éruption de classe C et une éruption C1.6 est moins intense qu’une éruption C7.4

Intensité du rayonnement X

Variation de l’intensité du flux du rayonnement X observé en octobre 2003 (premier graphique). Ces graphes sont ceux qui sont délivrés tous les jours aux scientifiques par le service américain NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). L’échelle de gauche donne les flux en Watt.m^-2 tandis que l’échelle de droite est utilisée pour caractériser la classe d'un flare (courbe rouge). A titre d'exemple, l'intensité du rayonnement X observée dans une période de Soleil très calme est donnée sur la figure du bas (10 avril 2008)

Crédit : NOAA

Sur les deux graphiques du 26 et du 29 octobre 2003, on peut voir que le Soleil a produit dans l'intervalle de temps 3 éruptions de classe X dont une (le 28) qui a dépassé l’échelle prévue (X-17 : aucune lettre au-dessus de X n'était prévue).

En comparant les deux graphes (qui correspondent à deux dates différentes mais aux mêmes échelles d’intensité), on constate que le niveau moyen de rayonnement X est de 10 à 1000 fois plus important en période proche du maximum du cycle solaire (premier graphe) que de minimum ( second graphe).

Les filaments (ou protubérances quand elles sont vues sur le bord du Soleil, le limbe) sont des structures magnétiques typiques de la chromosphère et basse couronne solaire. Le champ magnétique est peu intense. Elles peuvent s’étendre sur de très grandes distances. Les filaments sont parfois déstabilisés et expulsés dans le milieu interplanétaire.

Ces éruptions de filament entraînent des éjections de masse coronales (CME selon l’acronyme anglais couramment utilisé – Coronal Mass Ejection), sortes de nuages magnétisés qui se propagent dans le milieu interplanétaire à des vitesses allant jusqu'à 2000 km/s. Des particules très énergétiques sont envoyées dans le milieu interplanétaire et celles déjà présentes sont accélérées sont l'impulsion de l'onde de choc qui se déplace en amont des CME. Toutes ces particules très énergétiques viennent se superposer à celles du vent solaire.

Le film ci-contre montre un mois d’observation de la haute couronne solaire. Le petit cercle blanc représente la position du disque solaire. Il a été masqué ainsi que la chromosphère et la basse couronne car l’intensité de la haute couronne est près d'un million de fois plus faible. Les panaches blancs, statiques illustrent les régions d’échappement du vent solaire. De temps en temps, de larges bouffées blanches viennent se superposer. Ce sont des CME, des bulles de plasma qui partent dans le milieu interplanétaire.

L’observation est réalisée par un instrument (LASCO) embarqué à bord du satellite SOHO qui est situé à environ 1,5 millions de kilomètres devant la Terre en direction du Soleil. Quand les éjections de plasma sont dirigées vers la Terre, les particules énergétiques interagissent avec le récepteur de l'instrument et produisent des traînées sur l’image, comme, par exemple, à 3h18 le 27/10/2003 et surtout à 16h27 le 28/10/2003. Dans ce dernier cas, il s’agit d'une éruption X17.

Le 5 novembre 2003, le Soleil a produit une autre éruption classée X28 : en fait tous les récepteurs ont été saturés, d’où la difficulté pour lui donner sa valeur d’intensité maximale. C'est la plus grosse éruption jamais enregistrée.

Les particules (électrons, protons, ions) émises par le vent solaire ou lors des diverses éruptions solaires se propagent librement dans le milieu interplanétaire. Elles vont donc rencontrer des obstacles comme des comètes, des astéroïdes ou des planètes. Nous allons nous intéresser rapidement au cas de la Terre.

La Terre possède un champ magnétique propre (engendré par les mouvements du noyau liquide de fer) dont les pôles nord et sud sont proches (mais non confondus) avec les axes de rotation de la planète. Cette enveloppe magnétique entourant notre planète s’appelle la magnétosphère. Elle permet de dévier les particules du vent solaire. Elle est donc comme une sorte de bouclier magnétique qui protège notre planète des particules très énergétiques et dévastatrices pour toute forme de vie.

La magnétosphère subit aussi la pression du vent solaire : elle est comprimée du côté «jour» et allongée du côté «nuit». La limite extrême de la magnétosphère dans la direction du Soleil est située environ 60 000 km et s'étend sur des distances beaucoup plus considérables dans la direction anti-solaire. La Lune qui gravite à 300 000 km autour de la Terre est donc à l’intérieur ou à l’extérieur de ce bouclier magnétique.

Mais, selon l’orientation relative des lignes de champ magnétique terrestres et interplanétaires, des particules peuvent pénétrer le bouclier magnétique terrestre.

Les aurores polaires (boréales dans l’hémisphère nord, australes dans l’hémisphère sud) sont une première manifestation de la précipitation des particules du vent solaire dans la basse atmosphère de la Terre. Les aurores sont des phénomènes courants. Elles se produisent même en période de Soleil calme. Elles ne sont généralement observables qu’aux environs des cercles polaires (nord et sud) formant ainsi un ‘ovale auroral’. En cas de très fortes éruptions solaires, les aurores peuvent être observées à beaucoup plus basses latitudes et remplir l’intégralité de l’ovale auroral.

Si les aurores sont sans danger, la pénétration de particules énergétiques dans notre environnement peut avoir des conséquences plus dramatiques pour nombre de systèmes industriels et technologiques. Le graphe suivant résume les systèmes particulièrement sensibles.

Schéma résumant les principaux systèmes sensibles à l’impact de particules énergétiques du vent solaire dans notre environnement.

Crédit : Adapté de Bell Laboratories, Lucent Technologies

Les flux électromagnétiques varient de façon importante au cours du cycle solaire et lors d’éruptions. C’est par exemple le cas pour les rayons X (nous avons vu que des augmentations d’un facteur 1000 ou plus surviennent en l’espace de quelques minutes lors d’éruptions). Les flux ultraviolets augmentent aussi considérablement.

Des mesures de suivi et de correction de l’altitude sont prises en permanence par les opérateurs et les agences spatiales (quand des moteurs de contrôle d'altitude sont présents sur les satellites, ce qui est loin d'être toujours le cas). Quand les corrections deviennent trop importantes, les satellites sont précipités dans l’océan, de façon contrôlée... ! C’est ce qui s’est passé pour la station orbitale russe MIR.

Le Soleil a bien évidemment une influence sur le climat de la Terre. C’est la seule source d’énergie externe que nous recevons.

Intégré sur toutes les longueurs d’onde, le flux solaire présente de très faibles variations : de l’ordre de 0,1% au cours du cycle solaire. Ces variations sont insuffisantes pour expliquer les changements de température observés.

Par contre, si l’on regarde les variations temporelles des flux en fonction de la longueur d’onde, on s’aperçoit que le flux UV varie de plus de 10% au cours du cycle solaire. Or, ce flux UV est responsable de l’état de la couche d’ozone. Mais ces variations sont liées à l’activité solaire et donc à un cycle de 11 ans.

La question du rôle du Soleil dans le réchauffement climatique doit être abordée du point de vue des échelles des temps et des cycles solaires. Mais ceci dépasse le cadre de ce cours.