Le soleil est le fondement de la vie sur Terre et le moteur des phénomènes météorologiques. Sans moyens techniques d'observations, il semble relativement statique pour nous, les humains, mais il est tout sauf cela ! Son activité varie sur différentes échelles de temps, allant de quelques minutes à plusieurs siècles. Le rythme le plus connu est le cycle de 11 ans des taches solaires.
Changements périodiques
Les taches solaires sont des zones plus sombres à la surface du Soleil, appelées photosphère. Elles peuvent être observées avec relativement peu d'efforts, même par des profanes (via une projection sur une surface claire). Pour éviter les lésions oculaires, il convient toutefois de faire preuve d'une certaine prudence !
Certaines années, il n'y a souvent pas de taches pendant des mois, le disque solaire semble alors immaculé. Mais il y a ensuite des années où les taches solaires se multiplient nettement. Ce changement se produit régulièrement et est soumis à un cycle d'environ 11 ans (entre 10 et 12 ans). Ce cycle est également appelé cycle de Schwabe (du nom de son découvreur, Samuel Heinrich Schwabe 1789-1875). Une telle période de 11 ans comprend un minimum et un maximum de taches solaires, ce qui équivaut à un minimum et un maximum d'activité du Soleil.
Rudolf Wolf, un astronome suisse, a introduit une numérotation séquentielle de ces cycles, la série commençant en 1749. Le dernier maximum a été atteint en février 2014 et faisait partie du 24e cycle. Il est resté nettement en deçà de ceux du siècle précédent. En décembre 2019 a débuté le 25e cycle, dans la branche ascendante duquel nous nous trouvons actuellement.
Taches sombres, torches lumineuses
Les taches solaires ont leur origine dans le champ magnétique du soleil. D'un cycle à l'autre, la polarité du champ magnétique change. Il faut donc deux cycles de Schwabe pour revenir à la polarité d'origine. Cette période de 22 ans est appelée le cycle de Hale (George Ellery Hale, 1868-1938). Le champ magnétique est quant à lui généré par les conditions d'écoulement compliquées dans le plasma chaud du Soleil et fait l'objet de recherches en magnétohydrodynamique. On parle également de dynamo solaire, bien que, selon les dernières études, deux processus différents semblent également être impliqués.
Pendant les phases calmes, le champ magnétique présente tout d'abord une structure relativement lisse. Le soleil n'est cependant pas un corps solide, mais une boule de gaz chaud. Il est en rotation et il lui faut en moyenne 27 jours pour faire un tour complet. Cependant, le Soleil tourne plus vite à l'équateur (25 jours) et plus lentement aux pôles (31 jours). C'est ce que l'on appelle la rotation différentielle. Le champ magnétique se tord peu à peu, sa structure se complique et prend des dimensions de plus en plus chaotiques. Il se forme des boucles de lignes de champ qui traversent la photosphère - elles sortent à un endroit et entrent à un autre. C'est dans ces zones que se forment les taches solaires par paires.
Fig. 1: Structure des lignes de champ magnétique dans la zone des taches solaires; Source: Wikipedia
Le transport d'énergie depuis l'intérieur du Soleil est localement perturbé par le fort champ magnétique qui y règne, ce qui explique que les taches solaires soient jusqu'à 2000 degrés plus froides que la surface du Soleil, dont la température avoisine normalement les 6000 degrés. Outre les taches solaires sombres, il y a les torches solaires claires (appelées faculae ou plages dans la littérature spécialisée). Elles se situent entre les taches et sont plus chaudes que le reste de la surface, à environ 7000 degrés. Elles sont un autre aspect du même phénomène et ont également des causes magnétiques. A l'époque de Samuel Heinrich Schwabe, la nature magnétique des taches solaires était encore inconnue, elle ne s'est cristallisée que lentement. Grâce à divers satellites et sondes, la compréhension de la physique du soleil s'est énormément améliorée. Ce dernier est surveillé en temps réel !
Fig. 2: Image actuelle du Soleil prise ce matin par l'observatoire spatial SOHO; Source: NASA
Les premières taches d'un nouveau cycle se forment typiquement entre 30° et 40° au nord et au sud de l'équateur solaire. Par la suite, elles se rapprochent de plus en plus de l'équateur et le nombre de taches augmente. Si l'on compare ces données, on obtient le fameux digramme Butterfly :
Fig. 3: Diagramme Butterfly, relation temporelle entre le nombre de taches solaires et la latitude de leur apparition; Source: NASA
Dans le cadre de l'amélioration des données observées, la simulation numérique au moyen de modèles informatiques a également fait de grands progrès. Ainsi, il existe désormais des prévisions pour le cycle actuel et, dans la phase de transition, pour le cycle suivant. Selon ces prévisions, le numéro 25 devrait également être relativement faible, comme le numéro 24. Cela n'exclut toutefois pas la possibilité d'une augmentation des éruptions coronales et des tempêtes solaires pendant les fluctuations à court terme. Actuellement, le nombre de taches solaires observées est également supérieur à celui des prévisions.
Effets sur la Terre
Les changements sur le Soleil ont bien sûr aussi un impact sur notre monde ! Les tempêtes solaires mettent en danger les satellites et peuvent perturber les systèmes de communication, tandis que les aurores boréales font partie des beaux aspects. Grâce au vent solaire constamment présent et pulsant un flux de particules chargées, on peut les observer régulièrement dans les régions polaires. En cas de fortes éruptions sur le soleil, ces aurores boréales peuvent toutefois se produire temporairement bien plus au sud en latitude. Le délai de préalerte entre l'événement sur le Soleil et l'arrivée du flux de particules sur la Terre est typiquement d'environ quatre jours.
En dehors de ces éruptions de courte durée, le bilan radiatif varie également dans le cadre des cycles de 11 et 22 ans décrits ci-dessus. En outre, ces derniers semblent également être soumis à une certaine fluctuation à long terme, un rythme de 350 à 400 ans étant actuellement privilégié. A première vue, cela correspond bien au minimum de Maunder, une phase de très faible activité des taches solaires entre 1645 et 1715. Il coïncide avec une phase de froid exceptionnelle, plus connue sur la dénomination de "petit âge glaciaire". Cependant, la faible activité des taches ne peut pas expliquer entièrement cette phase de froid, les températures ayant déjà commencé à baisser auparavant.
Fig. 4: Evolution de la fréquence des taches solaires depuis 1610; Source: Wikipedia
La réduction de la puissance de rayonnement du soleil n'est qu'un aspect partiel et ne joue qu'un rôle secondaire dans l'état actuel des connaissances. Au siècle dernier, l'activité solaire a atteint un pic (voire également la figure 3). Cette phase a duré jusqu'en 2009 et est appelée "maximum moderne". Cependant, la puissance de rayonnement diminuait déjà depuis les années 80, alors que la température moyenne globale augmentait. Cette divergence s'est encore accentuée depuis lors ! Le taux d'activité pendant les maxima diminue, la puissance moyenne de rayonnement baisse, alors que la tendance globale des températures continue à augmenter clairement. De nouveaux modèles de calcul suggèrent que les cycles solaires suivants seront également plus faibles et qu'un super-minimum solaire pourrait éventuellement se produire entre 2030 et 2040. Mais cela ne semble pas pouvoir compenser, même de loin, l'effet de serre anthrophogène.