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L'activité solaire rev 5 .pdf



Nom original: L'activité solaire rev 5.pdf
Auteur: PIOU Thierry

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L’activité solaire

1. Introduction
L’énergie reçue par la Terre provient à 99% du Soleil, ce dernier à donc un rôle prépondérant sur l’évolution du
climat de notre planète.

Min de
Dalton
Min de Maunder

Fig.1

La figure 1 montre qu’au cours de la seconde moitié du 17ème siècle, ainsi qu’au début et à la fin du 19ème siècle le
nombre de taches solaires, reflet de l’activité de notre étoile, était faible. Ceci correspondit à des périodes froides
sur notre planète comme l’indique la figure 2.

Min de
Dalton
Min de Maunder

Fig.2

Source : B.van Vliet Lanoë _ carottage de glace Groenland _ déficit isotopique 𝑂18

1

La Tamise prise par les glaces en 1881

Nous allons voir dans ce document de quelle façon le Soleil influence notre climat sur quelques décades et ce que
sera vraisemblablement son activité dans les prochaines années.
2.vent solaire et rayonnements cosmiques
Les rayons cosmiques portent bien mal leur nom, il ne s’agit pas d’ondes électromagnétiques mais de flots de
particules subatomiques arrivant de l’espace, parfois à très grande vitesse.
Ces particules sont essentiellement constituées de noyaux d’hydrogène et d’hélium. Elles ont deux origines
différentes.
La première source de rayons cosmiques provient de notre étoile et est dénommée vent solaire. Celui-ci est un
flux de particules dont la densité est fonction du cycle de Schwabe et dont la vitesse comprise entre 500 et 5000
km/s est suffisante pour échapper à l’attraction du Soleil. Sur Terre on détecte 5 particules par cm^3 pendant les
périodes calmes et 10 fois plus en période d’activité.
Les particules du vent solaire qui approchent de la Terre sont piégées dans le champ magnétique terrestre. On
peut considérer la Terre en première approximation comme un dipôle magnétique. Les particules électriquement
chargées sont guidées vers les pôles. Les interactions entre ces particules rapides et les atomes de la haute
atmosphère sont à l’origine des aurores polaires (ci-dessous).

2

Les rayons cosmiques ont d’autres provenances, beaucoup proviennent de l’extérieur du système solaire, c’est-àdire de l’espace intersidéral et se dirige vers le Soleil. Pour parvenir jusqu’à la Terre, ils se heurtent au vent solaire
qui progresse en sens inverse .Le flux de particules extérieures est donc fortement modulé par l’activité cyclique
du Soleil et les particules intersidérales qui atteignent directement la Terre ont une énergie supérieure à 1GeV 1.
D’autres, moins énergétiques, subissent des collisions avec les particules de vent solaire et sont diffusées. A
chaque choc, elles changent de direction et perdent de l’énergie. Très peu de particules d’énergie inférieure à 100
MeV arrivent sur notre planète.
La variation périodique du flux de rayons cosmiques en fonction de l’activité solaire est nommée modulation
solaire.
L’activité du Soleil est faite du cycle de Schwabe (11 ans) auquel se superposent des cycles de périodes beaucoup
plus longues. Des variations extrêmement rapides telles que les éruptions solaires viennent s’ajouter à ces cycles.
Au cours d’une éruption, un flux très intense de particules est émis en très peu de temps.
On retiendra que plus l’activité solaire est importante, plus est faible le flux des rayons cosmiques intersidéraux
atteignant la Terre ainsi que l’indique la figure 3.

Fig.3

3. Couverture nuageuse et rayonnements cosmiques.
3.1 Mélange de masses d’air
L’atmosphère est humidifiée par l’évaporation de l’eau des océans, de celle contenue dans les sols et par le
phénomène d’évapotranspiration des plantes. Lorsque cet air humide s’élève dans l’atmosphère, sa température
et sa pression vont diminuer. Ce phénomène est l’un de ceux qui sont à l’origine de la formation des nuages.
Voyons cela d’un peu plus près :
Considérons deux masses d’air de même masse.
 La première contient 1% d’eau à T1 = 10°C
 La seconde contient 6% d’eau à T2 = 40°C
Le but est de déterminer la pression de vapeur saturante résultant du mélange des deux masses d’air.
Pour résoudre ce petit problème nous allons nous appuyer sur la courbe P=f(T) de la pression saturante de l’eau
(figure 4).

1

L’électron-volt est une unité de mesure d’énergie. Sa valeur est définie comme étant l’énergie cinétique acquise par un électron lorsque ce dernier est
soumis à une différence de potentiel de 1V.
1𝑒𝑉 = 1,6 ∗ 10−19 𝐽

3

Liquide

Vapeur

Fig.4

La courbe de la figure 4 est parfois dénommée ‘’ ligne de changement de phases ‘’ en effet à gauche de cette
courbe l’eau est sous forme liquide tandis qu’elle sous forme de vapeur à droite.
Considérons tout d’abord la masse d’air dont la température est de 10°C.
D’après le graphique ci-dessus la pression de vapeur saturante pour une température de 10°C est de 1200 Pa
(attention l’axe des ordonnées est, malheureusement, gradué en mbar alors que l’unité de pression dans le
Système International est le Pascal : 1mbar = 100 Pa)
Pour une quantité d’eau de 1% et en considérant la pression atmosphérique égale à 105 𝑃𝑎, la pression partielle
de la vapeur d’eau est de :
𝑃𝑥1 = 10−2 ∗ 105 = 1000 𝑃𝑎
On lit sur le graphique, que pour une pression partielle de 1000 Pa et une température de 10°C, l’eau est sous
forme de vapeur dans la masse d’air considérée.
Voyons maintenant le cas de la seconde masse d’air dont la température est de 40°C.
D’après le graphique, la pression de vapeur saturante pour une température de 40°C est de 7000 Pa.
Pour une quantité d’eau de 6%, la pression partielle de vapeur d’eau est de :
𝑃𝑥2 = 6 ∗ 10−2 ∗ 105 = 6000 𝑃𝑎
Là encore, l’eau contenue dans la masse d’air est à l’état gazeux.
Mélangeons les deux masses d’air et recherchons la température du nouveau système. Les deux masses d’air
initiales ayant la même masse, nous pouvons écrire :

4

10 + 40
= 25°𝐶
2
On cherche maintenant la fraction molaire de l’eau contenue dans le mélange :
1+6
= 3,5%
2
Sur la courbe, on lit que la pression de vapeur saturante pour une température de 25°C est de 3000 Pa. Pour une
quantité d’eau de 3,5 %, la pression partielle de vapeur est de :
𝑃𝑥 = 3,5 ∗ 10−2 ∗ 105 = 3500 𝑃𝑎
On lit sur le graphique que pour une pression de vapeur partielle de 3500 Pa à 25°C, des gouttes d’eau
apparaissent. Il y a donc passage de l’état gazeux à l’état liquide.
Le processus décrit ci-dessus est l’un de ceux qui sont à l’origine de la formation des nuages mais il n’est pas le
plus fréquent.

3.2. Sursaturation des masses d’air.
Considérons le graphique de la figure 5 :

Bulle de vapeur

Fig.5

Imaginons une masse d’air contenant de la vapeur dont la température initiale est de 30°C, et la pression partielle
de 2000 Pa. Au sein de cette masse d’air considérons une bulle de vapeur subissant une diminution de
température à pression constante jusqu’à 10°C. Elle a donc franchi la ligne de changement de phase et devrait se
5

transformer en liquide, mais ce n’est pas le cas : elle reste à l’état de vapeur. On dit que la masse d’air est en état
de sursaturation2, état particulièrement instable : s’il existe des noyaux de condensations (poussières, pollens
cristaux de sel..), la vapeur s’y déposera et se transformera en liquide. Là réside le principal processus de
formation des nuages.
3.3. Quid des rayons cosmiques ?
Les particules cosmiques de hautes énergies pénètrent dans l’atmosphère terrestre. Ces projectiles jalonnent leur
trace par une file d’ions. Ces ions constituent autant de germes de condensation, et ils vont donc s’entourer de
minces gouttelettes d’eau participant ainsi à la formation des nuages.
Cette propriété ionisante des rayons cosmiques a été mise en évidence dès 1912 par Charles Wilson grâce à une
chambre à brouillard dénommée aussi chambre à détente. Le principe de fonctionnement est relativement
simple :

Plaque de verre

Lumière

Piston mobile

Fig.6

Particule cosmique de
haute énergie

La chambre à détente est fermée à la partie supérieure par une lame de verre (figure 6). La partie inférieure est
constituée par un piston mobile permettant d’augmenter le volume de la chambre. L’atmosphère intérieure est
saturée de vapeur d’alcool. Le champ est éclairé latéralement par une puissante source de lumière. Au-dessus de
la lame de verre est disposé un appareil photographique.
En augmentant brusquement le volume de la chambre, on produit un abaissement de température (il s’agit ici
d’une transformation adiabatique voir annexe 1).De saturée qu’elle était, l’atmosphère est alors sursaturée. Il
suffit qu’une particule ionisante traverse l’atmosphère de la chambre pour qu’apparaisse une trace de
condensation (figure 7).
Chaque détente est suivie d’une compression qui efface le résultat et rend apte le dispositif à enregistrer une
nouvelle trace.

2

Il existe un état comparable à l’état de liquide : La surfusion est l‘état d’une matière qui demeure à l’état liquide alors que sa température est inférieure à
son point de solidification. Il s’agit d’un état instable, une petite perturbation (choc mécanique, impuretés) suffit pour amorcer brutalement le changement
vers la phase solide.

6

Fig.7

Un perfectionnement consiste à placer la chambre d’expansion dans un champ magnétique puissant. Les
trajectoires des corpuscules électrisées sont alors incurvées dans un sens ou dans l’autre suivant le signe des
charges en mouvement. En coupant la chambre en deux parties par une cloison de plomb, les particules subissent
un ralentissement qui modifie le rayon de courbure de la trajectoire permettant ainsi de définir le sens de cette
dernière.
Connaissant la courbure de la trajectoire, le rapport charge/masse de la particule et l’intensité du champ
magnétique on peut en déduire l’énergie transportée (figure 8)


𝐵

A
B
Fig.9

Célèbre photographie obtenue par Anderson en 1932 prouvant l’existence de l’électron positif.
Le positon suit la trajectoire AB. La première partie correspond à une énergie de 63 MeV .Après
ralentissement par la plaque de plomb, l’énergie n’est plus que de 23 MeV. On voit nettement la
différence de courbure des deux parties de la trajectoire. Cette simple photographie permet sans
aucune autre précision, outre le sens de parcours, de définir la direction et le sens du champ
magnétique appliqué à la chambre d’expansion qui est en position verticale.

7

En 1997, le Danois Henrik Svensmark montra l’étroite corrélation qui existe entre l’intensité du rayonnement
cosmique intersidéral et la couverture nuageuse de la Terre comme le montre la figure 9. Il mit aussi en évidence
que la densité de ce rayonnement est fonction de celui du vent solaire comme nous l’avons vu plus haut.

Fig.9

Ce phénomène module l’albédo du système Terre-Atmosphère et n’est pas sans incidence sur le climat de notre
planète.
4. L’activité solaire depuis 1985.
Depuis 1985 le GFOES (Groupement Français d’Observation et d’Etude du Soleil) comptabilise et archive
soigneusement le nombre de taches solaires mensuelles. (annexe 2) selon une procédure normalisée par l’Union
Internationale d’Astronomie. Parler du nombre de Wolf plutôt que de la quantité de taches solaires serait
d’ailleurs plus juste.
Une trentaine d’année semble peu pour pouvoir établir une tendance, nous allons voir cependant que nous
pouvons tirer des enseignements intéressants des données archivées.
Le graphique de la figure 10 a été établi en procédant à une moyenne glissante sur douze mois des données de
l’annexe 2 :

Cycle 22

B

Cycle 23

Cycle 24
C

D

E

Fig.10

8

Quels enseignements pouvons-nous tirer de ce graphique ?
On constate tout d’abord que les cycles 22 et 23 sont intégralement représentés et que le cycle 24 a dépassé son
maximum et est en voie de décroissance.
On remarque ensuite que les maximums sont décroissants : si le cycle 22 a atteint une moyenne mensuelle
maximale de 180, le cycle 23 dépasse péniblement les 120, tandis que la décroissance du cycle 24 s’est amorcée
dès que le nombre de Wolf a dépassé 80.
Une observation attentive des données nous indique que la durée séparant les maximums A et B des cycles 22 et
23 est de 10,8 ans. Celle séparant les maximums B et C des cycles 23 et 24 est de 12 ans.
D’autres informations sont fort intéressantes : on remarque qu’entre les cycles 22 et 23 la moyenne glissante
mensuelle est inférieure à 20 (point D) pendant une durée de 28 mois soit 2,3 ans et que cette durée atteint 58
mois soit 4,8 ans entre les cycles 23 et 24 (à partir du point E).
Il est possible de réaliser une approximation de la pente descendante du cycle 24 afin de déterminer la date à
laquelle la moyenne mensuelle du nombre de Wolf deviendra inférieure à 20 puis celle pour laquelle elle tendra
vers zéro.
On commence par mettre en forme les données correspondantes, on obtient alors le diagramme en bâtons de la
figure 11 :

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82

Fig.11

que l’on peut approcher par une exponentielle décroissante de la forme :
𝑁𝑏 𝑊𝑜𝑙𝑓 = 94,7 ∗ 𝑒 −0,055𝑡
A partir de cette relation, il est relativement simple de constater qu’à partir du second semestre de l’année 2018,
la moyenne mensuelle glissante du Nb de Wolf sera inférieure à 20 et qu’elle tendra vers zéro à partir du second
trimestre de l’année 2021.
C’est donc pendant le premier semestre 2020 que les taches devraient disparaître durablement de la surface du
Soleil.

9

5. Conclusion.
L’activité solaire était grande à la fin des années 1990 (figure 10) pendant le même temps, la couverture nuageuse
était faible (figure 11). A contrario la période 1996- 1997 a connu une faible activité solaire alors que la
couverture nuageuse était importante, puis de nouveau en 2002 nous constatons une couverture nuageuse plus
faible.
Ces observations correspondent assez bien à la théorie proposée par Svensmark.
Allons-nous vers une pause de l’activité solaire ?
Cette dernière conditionnera le climat des prochaines décades. Deux équipes indépendantes d’astrophysiciens,
estiment hautement probable cette pause. Leurs études s’appuient sur les variations du champ magnétique
solaire dont le nombre de Wolf est une image.
Si cette pause se vérifie, la théorie de Svensmark laisse penser que nous nous dirigerions vers un refroidissement
de la planète plutôt que vers un réchauffement.
Météo-France équipe peu à peu ses stations de capteurs d’ensoleillement, bien que le procédé choisi soit
rudimentaire (le procédé allemand est plus performant), il nous donnera néanmoins de précieux renseignements.
Ce sont en effet les variations de l’ensoleillement qui nous intéresse et non sa valeur absolue.

Thierry Piou
Mai 2016

10

Annexe 1
Transformation adiabatique - définition

Une transformation thermodynamique est dite adiabatique si le système n’échange pas de chaleur avec le
milieu extérieur

Relation fondamentale des gaz parfaits
La relation fondamentale des gaz parfaits est la suivante :
𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
P est la pression en pascals
V est le volume en 𝑚3
n est le nombre de moles
R est la constante des gaz parfaits en 𝐽𝐾 −1 𝑚𝑜𝑙−1
T est la température en K
Dans le cas d’une transformation adiabatique les variables P, T et V varient simultanément, il est donc nécessaire
d’établir une nouvelle relation entre les variables.
Dans le cas d’une transformation adiabatique le 1er principe de la thermodynamique s’écrit :
𝑑𝑢 = 𝛿𝑄 + 𝛿𝑊 = 𝛿𝑊
En conséquence :
𝑛𝐶𝑣𝑑𝑇 = −𝑃𝑑𝑉
ou encore :
𝑛𝐶𝑣𝑑𝑇 = −

𝑛𝑅𝑇
𝑑𝑉
𝑉

Soit :
𝐶𝑣 𝑑𝑇 𝑑𝑉

+
=0
𝑅
𝑇
𝑉

(1)

𝑟é𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑡 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚é𝑑𝑖𝑎𝑖𝑟𝑒

Cv est la capacité calorifique du gaz parfait à volume constant.
Relation de Robert Mayer
Calcul du rapport

𝐶𝑣
𝑅

𝑅 = 𝐶𝑝 − 𝐶𝑣

𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑀𝑎𝑦𝑒𝑟

11

Cv est la capacité calorifique du gaz parfait à volume constant.
Cp est la capacité calorifique du gaz parfait à pression constante.
On divise les deux membres de la relation de Mayer par Cv
𝑅
𝐶𝑝 𝐶𝑣
=

=𝛾−1
𝐶𝑣 𝐶𝑣 𝐶𝑣
Avec 𝛾 =

𝐶𝑝
𝐶𝑣

Il vient :
𝐶𝑣
1
=
𝑅
𝛾−1
L’équation différentielle devient :
1
𝑑𝑇 𝑑𝑉

+
=0
𝛾−1 𝑇
𝑉
Multiplions les deux membres par 𝛾 − 1 :
𝑑𝑇
𝑑𝑉
+ (𝛾 − 1) ∗
=0
𝑇
𝑉

(2)

Intégration de l’équation différentielle.
𝑻𝟏


𝑻𝟎

𝑉1
𝑑𝑇
𝑑𝑉
+ (𝛾 − 1) ∫
=0
𝑇
𝑉0 𝑉

ln 𝑇 − ln 𝑇0 + (𝛾 − 1)(ln 𝑉 − ln 𝑉0 ) = 0
ln 𝑇 + (𝛾 − 1) ln 𝑉 = ln 𝑇0 + (𝛾 − 1) ln 𝑉0
ln 𝑇 + 𝑙𝑛(𝑉 𝛾−1 ) = ln 𝑇0 + 𝑙𝑛(𝑉0 𝛾−1 )
ln(𝑇 ∗ 𝑉 𝛾−1 ) = ln(𝑇0 ∗ 𝑉0 𝛾−1 )
Soit :
𝑇𝑉 𝛾−1 = 𝐶𝑆𝑇
γ>1 en conséquence si le volume du système augmente la température du gaz diminue. C.Q.F.D

12

Annexe 2
Annee/Mois
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016

1
12.0
1.6
8.4
57.8
174.1
166.6
130.0
144.8
61.3
59.5
17.8
8.2
4.6
27.6
57.8
103.2
105.8
119.4
81.6
38.1
29.8
14.9
19.2
2.0
0.7
11.7
15.3
63.7
67.1
82.3
68.5
36.7

2
14.8
22.6
2.2
38.3
173.5
119.5
157.2
169.2
87.1
42.1
28.8
4.0
7.7
35.3
66.9
122.7
87.1
100.2
49.3
43.8
27.1
1.9
11.1
1.4
0.7
16.0
27.9
31.8
41.4
97.4
43.9
39.6

3
9.9
9.4
17.8
70.7
144.0
139.5
140.7
105.8
68.1
35.8
29.3
9.1
8.6
55.2
70.7
157.4
118.2
99.2
66.2
49.9
25.0
9.0
3.3
9.3
0.1
12.9
43.3
57.7
52.4
90.3
36.0
36.3

4
11.9
15.8
47.2
97.7
138.3
134.3
134.2
95.4
62.5
18.3
13.5
3.3
16.8
45.6
70.7
141.7
112.8
117.5
61.2
35.2
22.6
33.5
3.4
1.7
0.3
5.8
48.3
56.2
68.2
90.0
50.5

5
23.6
15.1
32.5
67.1
175.1
130.8
124.2
67.0
55.9
20.3
13.1
5.4
19.6
51.1
107.1
117.4
99.1
123.8
52.0
43.0
36.9
22.8
11.5
1.6
1.1
8.3
37.1
65.7
81.9
83.0
61.1

6
20.9
0.1
16.3
107.2
246.1
113.7
164.5
70.7
47.9
29.4
15.8
11.6
14.5
65.8
136.9
135.6
141.3
81.8
74.6
39.5
36.0
14.5
12.3
3.1
3.8
10.3
37.4
64.2
55.6
75.2
51.4

7
28.5
17.8
37.8
105.0
155.2
145.7
174.7
84.0
59.5
37.9
13.4
8.0
6.8
69.1
120.5
171.7
87.3
94.9
81.3
48.6
40.4
14.3
10.6
0.4
3.5
13.8
38.3
68.6
58.0
73.4
53.3

8
7.2
9.9
43.2
123.7
201.1
185.4
175.7
68.5
46.3
26.2
11.8
13.5
25.0
87.0
93.3
134.7
114.6
116.7
76.2
43.5
36.7
14.5
5.8
0.0
0.0
17.0
39.1
72.7
64.4
79.0
33.6

9
3.6
5.4
40.6
138.2
198.1
132.9
122.0
74.9
19.7
29.8
11.4
1.5
45.9
94.6
79.8
107.8
160.2
122.7
51.5
29.7
21.0
14.8
2.7
0.7
5.1
21.8
73.5
63.1
34.1
91.1
50.4

10
15.6
35.7
60.1
138.6
191.5
151.2
141.0
90.4
47.3
51.4
21.5
0.1
24.9
52.7
120.2
94.6
143.4
99.5
60.0
46.3
6.4
10.0
1.0
2.2
4.5
19.1
82.4
57.2
80.7
66.0
36.1

11
14.0
13.0
38.4
149.7
199.6
121.0
109.3
92.5
33.5
19.0
8.9
16.5
37.9
66.3
126.4
105.5
113.7
86.7
55.9
41.6
19.8
24.3
0.7
3.7
3.3
21.9
87.9
61.5
69.6
73.5
43.7

12
11.8
5.9
29.3
200.1
188.2
125.2
146.3
81.3
49.3
22.0
10.0
9.2
40.3
83.8
81.2
99.6
135.0
83.0
44.1
17.5
43.4
12.8
8.8
0.2
9.0
15.2
62.6
43.3
89.1
81.7
40.8

Mois/années
1985
1986
1987
1988
1989
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