Le micro-satellite français PICARD, financé par le CNES, a été lancé mardi 15 juin à 16h42, heure de Paris, par une fusée Dniepr depuis la base de Yasny en Russie. Dans le cadre d’une mission scientifique internationale réunissant plusieurs instituts et laboratoires, il embarquait à son bord trois instruments qui permettront d’améliorer notre connaissance du fonctionnement du Soleil et de mieux comprendre son influence sur le climat de la Terre. L’un d’eux a été conçu et réalisé par le Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales (LATMOS(/IPSL) : il s’agit du télescope imageur SODISM qui permettra de mesurer le diamètre du Soleil avec une précision inégalée à ce jour.
On sait aujourd’hui que l’activité du Soleil, observée depuis le XVIIe siècle, varie au cours du temps avec une période voisine de 11 ans. On sait aussi que les variations de son éclairement, et selon certaines mesures de son diamètre, sont reliées à son activité, mais on ne connait pas les causes précises de cette variabilité solaire.
Le satellite PICARD. © CNESLe satellite PICARD, du nom de l’astronome français Jean Picard (1620-1682) qui entreprit une série de mesures du diamètre solaire pour déterminer l’excentricité de l’orbite de la Terre, va permettre de lever le voile sur ces questions. En effet, il embarque à son bord des instruments (voir l’encart) qui mesureront durant au moins deux ans, simultanément et avec une précision inégalée, plusieurs paramètres caractéristiques de notre étoile ainsi que leurs variations, des mesures qui contribueront à améliorer les modèles théoriques de la dynamique de la zone convective solaire et permettront ainsi de comprendre pourquoi le soleil est une étoile variable.
Nantis de ces nouvelles connaissances sur les relations entre l’activité solaire, le diamètre du Soleil et son éclairement total et spectral, les chercheurs pourront revisiter le passé pour y étudier les relations entre l’activité solaire et certains événements climatiques terrestres. Un phénomène les intéresse particulièrement : la diminution de la température moyenne qu’a connue la Terre au XVIIe siècle, pendant le minimum de Maunder (1645-1715), une période caractérisée par une quasi absence de taches solaires. Ces études seront cruciales pour la compréhension de l’influence du Soleil sur le climat de notre planète.
En outre, les mesures des instruments embarqués sur PICARD seront complétées par des mesures au sol, ce qui permettra de comprendre et de modéliser l’effet perturbateur de l’atmosphère terrestre sur les observations du Soleil effectuées depuis le sol, une étape importante pour l’exploitation à venir de ces observations. Parmi les instruments au sol, seront utilisés une réplique du télescope imageur SODISM couplée au télescope MISOLFA, le photomètre PICALI pour mesurer le diamètre du Soleil lors des éclipses, ainsi que des ballons stratosphériques équipés.
Enfin, les données du satellite PICARD seront utilisées pour étudier l’impact des variations de l’éclairement ultraviolet solaire sur la couche d’ozone et le couplage entre la stratosphère et la troposphère, à l’aide du modèle LMDZ-REPROBUS développé à l’IPSL par le Laboratoire de météorologie dynamique (LMD/IPSL) et le LATMOS, et ainsi mieux comprendre comment les variations de l’activité solaire influencent le climat de notre planète.
Si le champ magnétique terrestre est bien connu à la surface de notre planète, la détermination de son intensité et de sa structure à l’intérieur du noyau liquide, qui en est à l’origine, demeure encore un objectif à atteindre. En utilisant pour la première fois dans ce domaine une méthode par assimilation d’observations, une équipe de chercheurs du Laboratoire de géophysique interne et tectonophysique (LGIT) de Grenoble (INSU-CNRS/Université Joseph Fourier/OSUG) et de l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP, INSU-CNRS/Paris Diderot) révèle l’existence d’une onde de torsion rapide (4 ans) dans le noyau liquide. Ces chercheurs en déduisent que l’intensité du champ y est de quelques milliteslas (mT). Une étude publiée dans la revue Nature du 6 mai 2010.
Les mesures du champ magnétique terrestre sont collectées depuis la seconde moitié du XIXe siècle dans les observatoires magnétiques et par des magnétomètres embarqués à bord des satellites en orbite basse et en continu depuis 1999. Ces observations permettent de reconstruire le champ magnétique et d’estimer son intensité (de l’ordre de 0,3 mT) à la surface du noyau terrestre, à 2900 km de profondeur. Cependant, nous n’avons pas d’accès direct au champ magnétique régnant au coeur du noyau liquide conducteur d’électricité, région où il est créé et entretenu par la circulation de fluide métallique à haute température, selon le processus appelé géodynamo.
Pour estimer l’intensité moyenne du champ magnétique terrestre dans le noyau, dont la valeur est d’importance, en particulier pour déterminer le bilan énergétique de la Terre et son histoire thermique, les géophysiciens empruntent des chemins détournés. L’un d’eux est la simulation numérique directe. Depuis 1995, une grande variété de modèles de la dynamo terrestre ont été calculés. Leur analyse suggère que le champ interne au noyau est environ 10 fois plus intense que le champ estimé à sa surface grâce aux mesures décrites plus haut.
Un autre chemin, qui repose sur les observations des variations de la longueur du jour et sur les mesures géomagnétiques, a conduit à une estimation bien plus faible, de l’ordre de 0,2 mT. En effet, un signal magnétique de période 60 à 80 ans a été détecté dans des séries d’observatoire longues de 150 ans. Ce signal fût longtemps associé à la signature d’ondes de torsion* se propageant dans le noyau. Cette période impliquerait un champ interne de l’ordre de 0,2 mT, c’est-à-dire d’intensité plus faible que celle du champ à la surface du noyau.
L’étude publiée dans Nature, réconcilie l’analyse des modèles numériques avec celle des données géophysiques. Ses auteurs ont développé une approche de type assimilation de données **, utilisée pour la première fois dans ce domaine, similaire à celles mises en place en météorologie ou en océanographie physique, c’est-à-dire qu’ils ont reconstruit les écoulements dans le noyau en mêlant observations magnétiques et équations de la physique. Ils mettent ainsi en évidence une onde de torsion de période 6 ans. Le moment cinétique que porte cette onde explique un autre signal de même période qui avait été détecté précédemment, et de manière totalement indépendante, dans les séries temporelles de longueur du jour.
Les ondes mises en évidence par les auteurs voyagent du bord de la graine solide (de rayon 1220 km) jusqu’à l’équateur du noyau (de rayon 3480 km) en environ 4 ans. Ce temps de trajet leur permet d’estimer l’intensité du champ magnétique dans le noyau liquide à quelques mT, ce qui est en bon accord avec les prédictions basées sur les simulations numériques de la géodynamo.
Ces ondes ne représentent qu’une partie de la dynamique du noyau terrestre. Il reste maintenant à comprendre l’origine des signaux magnétiques et de longueur du jour à plus longue période. Nous sommes aux prémices de modèles dynamiques complets pouvant expliquer les variations décennales à centennales du champ magnétique.
- Pour en savoir plus
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Ondes de torsion
* Les ondes de torsion, décrites analytiquement par le géophysicien russe Braginsky dès 1970, constituent une classe particulière des ondes magnéto-hydrodynamiques étudiées par l’astrophysicien suédois Alfvén en 1942. Elles se propagent en présence d’un champ magnétique et impliquent à la fois une perturbation du champ magnétique et du champ de vitesse. Leur vitesse de propagation est d’autant plus grande que le champ magnétique qui les supporte est intense. Dans le noyau terrestre, la force de rotation dicte la géométrie des mouvements susceptibles de produire des ondes d’Alfvèn. Ces mouvements dits géostrophiques sont organisés en cylindres rigides centrés sur l’axe de rotation. Il peut y avoir propagation d’ondes car les cylindres géostrophiques sont liés entre eux par la tension du champ magnétique : perturber un cylindre entraîne le mouvement de ses voisins et, de proche en proche, l’onde se propage soit en direction de l’axe de rotation, soit vers l’équateur du noyau.
Assimilation de données
* * Les auteurs ont utilisé le modèle magnétique de Jackson et collègues (2000) pour reconstituer les écoulements dans le noyau terrestre, au sein desquels ils ont détecté une onde de période 6 ans. Depuis 1999, grâce à plusieurs satellites en orbite basse (Oersted, Champ), on dispose d’une description beaucoup plus détaillée du champ magnétique. On espère gagner encore en précision grâce au lancement en 2011 ou 2012 d’une constellation de trois satellites par l’agence spatiale européenne ESA (mission Swarm soutenue par le CNES). L’approche par assimilation de données géomagnétiques devrait permettre de tirer pleinement profit de ces nouvelles mesures pour mieux décrire la physique du noyau terrestre au cours des derniers siècles.
Voir le projet ANR (2006-2010) « Variation Séculaire Quasi-Géostrophique »
Au sein du système solaire, les surfaces des corps dénués d’atmosphère sont fortement influencées par des facteurs souvent associés au syntagme « météorologie spatiale »(*). Des preuves scientifiques récentes ont montré que le processus de vieillissement des surfaces du à la météorologie spatiale a une dynamique très forte (de l’ordre d’un million d’années) par rapport à l’âge du système solaire (environ 4,5 milliards d’années).
Dans le cas des petits corps, on constate une dichotomie entre les astéroïdes qui croisent l’orbite de la Terre et ceux de la ceinture principale. La réponse spectrale des surfaces d’une catégorie d’astéroïdes géocroiseurs (la classe taxonomique Q) montre des minéraux dont les propriétés physiques sont moins altérées par la météorologie spatiale(**). Des mécanismes tels que le rapprochement avec la Terre, Mars ou Vénus, ou les collisions avec d’autres astéroïdes s’imposent, visant à produire un re-surfaçage d’astéroïdes géocroiseurs.
Une équipe franco-américaine s’est penchée sur la question de la proximité entre les géocroiseurs et les planètes telluriques. Les spectres d’un échantillon de cent astéroïdes ont été analysés et les résultats ont été corroborés avec leur dynamique orbitale.
La conclusion de cette recherche est que la Terre peut produire une influence importante pour que le re-surfaçage soit possible, si l’astéroïde passe au moins à une distance de 16 rayons terrestres de la planète. Cette distance correspond a environ un quart de la distance Terre-Lune. Les ondes sismiques induites par le passage proche sont capables de « secouer » la surface de l’objet afin que les roches et les régolites se réorganisent. Cette réorganisation de la surface de l’astéroïde est révélée par les mesures spectrales. Ayant subi une exposition moindre à la météorologie spatiale, les minéraux qui résultent du re-surfaçage vont montrer des spectres qui sont en meilleure concordance avec les spectres de laboratoires des météorites chondrites ordinaires.
En 2029, l’astéroïde 99942 Apophis, dont le diamètre est estimé à environ 270 mètres, passera à proximité de la Terre. Ce passage qui s’effectuera à une distance d’environ 42 000 km sera sans influence pour notre planète. Cependant, au cours de ce passage, l’astéroïde se trouvera à l’intérieur du périmètre-limite théorique évoqué plus haut : il subira ainsi des vibrations suffisamment fortes pour qu’en résulte son re-surfaçage. Les observations spectroscopiques de ce passage proche de 99942 Apophis rendront alors possible, en 2029, la confirmation de ces hypothèses et la validation de ces résultats.
(*) Ensemble des facteurs tels que le vent solaire, le rayonnement cosmique, les impacts avec les micrométéoroïdes.
(**) Le spectre d’astéroïdes de type Q est le meilleur analogue pour la plupart des météorites qui existent en collections (les météorites chondrites ordinaires).
voir le site de IMCCE
