Météo de l'espace
Astronomie
La météo (ou météorologie) de l'espace est une discipline qui étudie principalement l'impact de l'activité solaire sur l'environnement terrestre. Les principales sources de perturbations météorologiques dans l'espace sont les tempêtes solaires, qui émettent des particules chargées à haute énergie et des rayonnements électromagnétiques. Ces perturbations peuvent causer des interférences avec les communications, endommager les équipements électroniques et affecter la santé des astronautes.
La météo spatiale utilise des instruments terrestres et spatiaux spécialisés dans la surveillance des conditions de l'espace interplanétaire et les effets de l'activité solaire sur la Terre et les autres corps célestes du système solaire. Les données recueillies par ces équipements sont utilisées pour prévoir les conditions météorologiques spatiales afin d'alerter les opérateurs de systèmes sensibles aux perturbations solaires.
L'influence du Soleil sur la Terre
Le Soleil libère de façon continue un flux de particules chargées comprenant des électrons et des protons énergisés, appelé vent solaire. Ce dernier se déplace à une vitesse supérieure à 1,5 million de km/h, transportant des composants du champ magnétique solaire vers la Terre. Lorsque le vent solaire se rapproche de notre planète, il est dévié de sa trajectoire par le champ magnétique terrestre.
Notre environnement spatial peut être perturbé par trois types de phénomènes solaires qui peuvent avoir des conséquences graves sur la Terre. Le premier est l'éjection de masse coronale (EMC), une puissante explosion qui propulse un flux de plasma particulièrement chaud (gaz électrifié) dans l'espace. Le deuxième type de phénomène est constitué par les trous coronaux qui laissent échapper des flux de plasma à grande vitesse augmentant ainsi le vent solaire. Le troisième phénomène est l'éruption solaire. Il s'agit d'une émission brutale et puissante de rayonnement provoquée par la libération d'énergie magnétique.
Les EMC et les trous coronaux peuvent provoquer des tempêtes géomagnétiques dans la magnétosphère, une couche entourant une planète dans laquelle l'action du champ magnétique est très importante.
Le Soleil suit un cycle d'activité régulier qui se produit environ tous les 11 ans. Pendant la période d'activité maximale, connue sous le nom de maximum solaire, des tempêtes géomagnétiques plus fréquentes sont prévisibles.
Photo prise par les caméras de l'observatoire solaire spatial de la NASA, le Solar Dynamics Observatory, le 31 août 2012
Les éjections de masse coronale (EMC)
Les éjections de masse coronale (EMC) sont des quantités gigantesques de gaz électrifié ou de plasma projetées dans l'espace interplanétaire, qui peuvent avoir un impact important s'ils se dirigent vers la Terre. L'onde de choc provoquée par la masse en mouvement peut accélérer les protons, causant des problèmes pour les radiocommunications dans les hautes latitudes en atteignant la Terre en environ une heure. Les EMC peuvent également déformer le champ magnétique de la Terre, faire changer la direction des aiguilles de la boussole et provoquer l'induction de courants dans des conducteurs longs comme les lignes électriques. De plus, l'afflux massif de particules peut brouiller les radiocommunications haute fréquence (HF) et endommager les satellites.
Les EMC peuvent également très fortement influencer l'intensité et la fréquence des aurores boréales. Elles peuvent notamment se manifester en dehors de leur lieu habituel, loins des pôles. Les EMC mettent entre 1 et 3 jours pour atteindre la Terre.
Les trous coronaux
Les trous coronaux sont des régions où les lignes du champ magnétique sont ouvertes permettant ainsi à des flux de plasma propulsés à grande vitesse de s'échapper du Soleil. Si les conditions sont favorables, ces flux peuvent causer des tempêtes géomagnétiques en atteignant la Terre, en particulier dans la zone aurorale. Cela entraîne des périodes d'activité géomagnétique de longue durée pouvant durer de 3 à 4 jours.
Disque solaire avec trou coronal pris par le NASA STEREO (Solar TErrestrial RElations Observatory) le 25 mai 2007
Image d'une éruption solaire prise par le satellite TRACE (NASA) le 9 novembre 2000
Les éruptions solaires
Une éruption solaire se traduit par une libération d'énergie électromagnétique du Soleil sous forme de lumière et de rayons X. Les rayons X et les rayons gamma peuvent perturber les communications radio en atteignant la Terre environ huit minutes après leur émission. Ces épisodes sont généralement de courte durée, d'environ une demi-heure. Cependant, les éruptions solaires de longue durée peuvent persister plus de trois heures.
Les éruptions solaires sont classées en fonction de leur intensité. Les éruptions de classe C ont peu d'effet sur la Terre, les éruptions de classe M peuvent causer des tempêtes géomagnétiques mineures, tandis que les éruptions de classe X peuvent causer des tempêtes géomagnétiques majeures.
Classification des éruptions solaires
Les éruptions solaires sont classées en fonction de leur intensité mesurée en rayons X à la longueur d'onde de 1 à 8 angströms. La classification, également connue sous le nom de classe de flare, utilise une échelle alphabétique qui comprend les lettres A, B, C, M et X, suivies d'un nombre pour indiquer la magnitude de l'éruption.
Voici ce que chaque lettre représente :
- Classe A : ce sont les éruptions solaires les plus faibles. Elles sont généralement difficiles à détecter et n'ont qu'une faible influence sur la Terre ;
- Classe B : les éruptions de classe B sont légèrement plus énergétiques que celles de classe A, mais elles restent relativement faibles ;
- Classe C : les éruptions de classe C sont de puissance modérée, mais peuvent causer des perturbations radioélectriques sur la bande haute fréquence (HF) sur Terre. Elles sont également susceptibles de provoquer des aurores boréales plus intenses ;
- Classe M : les éruptions de classe M sont considérées comme importantes. Elles sont en mesure d'entaîner des perturbations significatives des communications radio HF, ainsi que des pannes mineures dans les systèmes électriques sur Terre ;
- Classe X : les éruptions de classe X sont les plus puissantes et les plus dangereuses. Elles ont le potentiel de causer de graves perturbations dans les communications radio, les systèmes électriques et les satellites en orbite autour de la Terre. Ces éruptions peuvent également provoquer des aurores boréales à de basses latitudes.
Il convient de noter que chaque classe (A, B, C, M et X) a une échelle de sous-classes de 1 à 9, où 1 est la plus faible et 9 est la plus élevée. Par exemple, une éruption solaire de classe M1 est plus faible qu'une éruption de classe M2, mais plus forte qu'une éruption de classe C9.
Comment peut-on définir une tempête (ou orage) géomagnétique ?
Une tempête (ou orage) géomagnétique correspond à une perturbation de la magnétosphère terrestre. Cette dernière est causée par des variations soudaines et importantes de la vitesse, de la densité et des propriétés magnétiques du vent solaire. Ces variations du champ magnétique peuvent entraîner des courants électriques qui se propagent le long de longs conducteurs. Les effets des tempêtes géomagnétiques peuvent engendrer des interférences mineures ou bien des conséquences très graves comme des pannes ou des effondrements des réseaux électriques.
Les tempêtes géomagnétiques sont provoquées par une activité solaire intense qui émet des particules chargées. Elles peuvent perturber l'intensité et la direction du champ magnétique terrestre. En fait, ces tempêtes peuvent durer de quelques heures à plusieurs jours et affecter directement les activités qui dépendent du champ magnétique terrestre.
L'intensité d'une tempête géomagnétique qui peut résulter d'une éruption solaire dépend de l'ampleur de l'éjection de masse coronale et du champ magnétique associé. Lorsque ce champ magnétique pointe vers le sud, il peut interagir plus fortement avec le champ magnétique terrestre. Par conséquent, cela peut aggraver les effets de la tempête géomagnétique.
Quelles sont les conséquences sur notre planète ?
La météorologie spatiale peut avoir des conséquences notables sur les infrastructures technologiques dont nous dépendons. Elle peut notamment :
- Interférer avec les signaux d'ondes radioélectriques, perturbant ainsi les systèmes de navigation (GPS) et les communications radio ;
- Perturber les réseaux électriques ;
- Corroder les pipelines ;
- Entraver le bon fonctionnement des satellites ;
- Exposer les astronautes et les pilotes effectuant des vols à haute altitude à des dangers liés aux rayonnements.
L'indice Kp
L'indice Kp est un indice géomagnétique utilisé pour mesurer l'activité magnétique de la Terre. Il est calculé à partir des mesures de l'intensité du champ magnétique terrestre effectuées dans plusieurs observatoires répartis à travers le monde.
L'indice Kp est utilisé pour évaluer l'ampleur des perturbations géomagnétiques causées par les éruptions solaires et les tempêtes solaires. Plus l'indice Kp est élevé, plus les perturbations magnétiques sont importantes. L'indice Kp est exprimé sur une échelle de 0 à 9, où 0 correspond à une activité magnétique très faible et 9 correspond à une activité magnétique très forte. Un indice Kp de 5 ou supérieur peut entraîner des perturbations importantes sur Terre.
L'échelle G
L'indice Kp est une manière scientifique de résumer le niveau mondial d'activité géomagnétique. L'échelle G de la NOAA (Administration nationale des océans et de l'atmosphère) a été conçue pour correspondre, de manière simple, à l'importance des effets des tempêtes géomagnétiques.
L'échelle G de la NOAA comporte cinq niveaux, de G1 (niveau le plus faible) à G5 (niveau le plus élevé). Chaque niveau correspond à une plage de valeurs du Kp. Voici une description des niveaux de l'échelle G de la NOAA :
- G1 (mineure) : perturbation géomagnétique faible, pas d'impact sur les réseaux électriques ni sur les satellites en orbite ;
- G2 (modérée) : perturbation géomagnétique modérée, risques pour les systèmes électriques et les satellites en orbite, éventuellement des aurores boréales visibles dans les régions proches des pôles ;
- G3 (forte) : perturbation géomagnétique forte, risques pour les systèmes électriques, les satellites en orbite, les communications radio, les systèmes de navigation GPS, les pipelines, les chemins de fer, les avions, les aurores boréales visibles jusqu'à des latitudes moyennes ;
- G4 (sévère) : perturbation géomagnétique très forte, risques importants pour les systèmes électriques, les satellites en orbite, les communications radio, les systèmes de navigation GPS, les pipelines, les chemins de fer, les avions, les aurores boréales visibles jusqu'à des latitudes moyennes voire des latitudes plus basses ;
- G5 (extrême) : perturbation géomagnétique extrêmement forte, risques majeurs pour les systèmes électriques, les satellites en orbite, les communications radio, les systèmes de navigation GPS, les pipelines, les chemins de fer, les avions, les aurores boréales visibles à des latitudes très basses voire jusqu'à l'équateur.
La saviez-vous ?
L'événement Carrington
La plus grande tempête solaire jamais enregistrée sur Terre est connue sous le nom d'événement Carrington, du nom de l'astronome britannique Richard Carrington qui l'a observée en 1859.
Cette tempête solaire a été si intense qu'elle a provoqué des aurores boréales visibles jusqu'aux tropiques ! Les perturbations électromagnétiques ont désorienté les télégraphes et créé des étincelles électriques mettant le feu à des bâtiments. L'événement Carrington a été déclenché par une éruption solaire massive qui a envoyé des particules chargées vers la Terre créant un effet de tempête géomagnétique. Si une tempête solaire de cette ampleur se produisait aujourd'hui, elle pourrait avoir des conséquences dévastatrices sur les réseaux électriques, les satellites et les communications dans le monde entier.
Activité solaire et aurores boréales
L'activité solaire est directement liée à la formation des aurores boréales. Les aurores boréales, également appelées aurores polaires, se produisent lorsque les particules chargées émises par le Soleil, connues sous le nom de vent solaire, entrent en contact avec l'atmosphère terrestre. Ces particules sont attirées par les pôles magnétiques de la Terre et voyagent le long des lignes de champ magnétique jusqu'à atteindre l'atmosphère terrestre.
Lorsque ces particules chargées entrent en collision avec les atomes et les molécules de l'atmosphère terrestre, elles transfèrent leur énergie aux particules de l'atmosphère créant ainsi des émissions de lumière colorées dans le ciel nocturne. Ces émissions de lumière sont appelées aurores boréales dans l'hémisphère nord et aurores australes dans l'hémisphère sud.
L'activité solaire peut affecter la formation des aurores boréales en augmentant ou en diminuant la quantité de particules chargées qui atteignent l'atmosphère terrestre. Les périodes d'activité solaire accrue sont souvent associées à une augmentation de l'activité aurorale, tandis que les périodes de faible activité solaire peuvent être associées à une diminution de l'activité aurorale. Les tempêtes solaires peuvent augmenter l'intensité et la fréquence des aurores boréales, les rendant plus visibles et plus colorées, et ce, à des latitudes inhabituelles.
Le rayonnement cosmique
Les rayons cosmiques sont des particules subatomiques très énergétiques qui se déplacent dans l'espace à des vitesses proches de celle de la lumière. Ils proviennent de diverses sources, notamment de l'explosion de supernovas, de l'activité des trous noirs, et du rayonnement cosmique de fond. Ces particules sont principalement des protons, des noyaux d'hélium, des électrons et des photons.
Le rayonnement cosmique est également lié à la formation des nuages et à la modulation du climat sur Terre. Des études ont montré que les particules de rayonnement cosmique peuvent affecter la formation des nuages en agissant comme des noyaux de condensation, ce qui peut modifier le bilan radiatif de la Terre et influencer le climat.
Les astronautes sont exposés aux rayons cosmiques lorsqu'ils voyagent dans l'espace et peuvent subir des dommages sur leur ADN et leurs cellules, ce qui peut augmenter leur risque de développer un cancer et d'autres maladies.