Le Soleil, source de vie mais père terrible qu’on connaît encore mal!

Oh Soleil, toi qui depuis toujours nous entraînes dans ta course autour du Centre de la Voie-Lactée, qui nous réchauffes de tes rayons, qui fais chatoyer notre monde dans la multitude des couleurs du spectre lumineux que tu as créé, qui donnes la vie en communiquant ton énergie à tout organisme qui recueille ta lumière, sois ici remercié de tous tes bienfaits !

Ces paroles propitiatoires prononcées, il faut bien dire que le Soleil est aussi pour la Terre, pour les hommes et pour la vie, une puissance redoutable et fantasque. Voyons les chiffres et tout d’abord celui de la masse qui comme vous le savez, gouverne tout en ce monde : 1989,1*1024 tonnes (1,9 milliards de milliards de milliards de tonnes) pour le Soleil, comparé à la Terre 0,006*1024 tonnes (6000 milliards de milliards de tonnes) et à Jupiter 1,9*1024 tonnes. Vue autrement, la masse du Soleil représente 98,854% de la masse totale du système solaire, ce qui en laisse très peu pour tout le reste y compris les géantes Jupiter, Saturne et Uranus sans parler des poussières que sont les planètes telluriques dont la Terre. Du fait des lois de la gravité, la masse détermine la pression et la chaleur interne. C’est cela qui a allumé le « réacteur à fusion nucléaire » du Soleil qui fonctionne depuis 4,5682 milliards d’années (avec 4,543 milliards d’années la Terre est juste un peu plus jeune, ce qui est normal puisqu’elle résulte de la contraction du nuage protoplanétaire au centre duquel le Soleil s’est formé). Par la pression et la chaleur, le réacteur convertit l’hydrogène qui constitue à 74% notre étoile, en hélium qui aujourd’hui en représente déjà 24% (les 2% restant étant faits de toute la gamme des autres éléments chimiques). Chaque seconde, 627 millions de tonnes d’hydrogène sont ainsi convertis en 622,7 millions de tonnes d’hélium ionisé (« particules alpha »), la différence de 4,3 millions de tonnes étant rayonnée sous forme d’énergie (photons lumineux et d’autres longueurs d’onde du spectre électromagnétique) à l’extérieur de l’astre et donc en partie vers nous. C’est dans le cœur que se passent les réactions (toujours pression + chaleur) et c’est de là que proviennent ces 4,3 millions de tonnes/s. Pour le moment les « réserves » d’hydrogène sont telles que le Soleil est en équilibre hydrostatique, on dit qu’il est en « phase linéaire », mais du fait des dissipations de masse, le cœur se contracte petit à petit, de ce fait les réactions deviennent plus intenses et la luminosité croît (7% par milliard d’années). C’est ainsi depuis 4 milliards d’années mais cela ne va pas durer « toujours », quoique nous ayons quand même un peu de temps devant nous. Ce n’est que dans un peu plus de 5 milliards d’années (le Soleil aura alors 9 milliards d’années) que les ressources en hydrogène du cœur s’étant épuisées, l’équilibre hydrostatique ne sera plus assuré et la phase linéaire prendra fin. Le milliard d’années suivant sera très éprouvant pour l’humanité si elle subsiste sous une forme quelconque sur notre planète (c’est peu probable mais on peut rêver !). En effet le cœur du Soleil s’étant totalement converti en hélium et de ce fait très sensiblement contracté, la pression interne aura considérablement augmenté et le processus de conversion s’étendra aux couches moins profondes d’hydrogène. Au-dessus, les couches superficielles moins « tenues » par la pression, se dilateront toujours davantage sous l’effet de la chaleur et le soleil enflera lentement pendant environ 500 millions d’années puis de plus en plus vite pendant les 500 millions d’années suivantes. Il sera alors devenu une géante rouge, d’un diamètre cent fois supérieur au diamètre actuel et d’une luminosité 2000 fois supérieure. A cette époque son enveloppe externe aura avalé corps et bien Mercure et Vénus et notre pauvre planète sera depuis longtemps totalement desséchée et grillée. Mais pour tout vous dire, déjà dans moins d’un seul milliard d’années la Terre sera probablement devenue inhabitable à cause d’une part de la hausse de la température moyenne et d’autre part de la fixation du gaz carbonique atmosphérique. Le Soleil aura ainsi repris tout ce qu’il nous aura donné, quelles que soient les prières que nous lui aurons adressées.

Pour le moment, en phase-linéaire, quelle est la structure du Soleil ? En remontant du centre vers l’espace (le rayon du Soleil, « Rs », fait 696.000 km contre 6.370 pour la Terre), on distingue six régions : (1) le noyau (0,25 Rs) où Vulcain active la fusion dans sa forge (15 millions de degrés Kelvin ou Celsius) ; (2) la zone radiative (0.25 à 0.7 Rs) où s’expriment les photons libérés par la fusion (la température passe de 7.000.000 à 2.000.000°C); (3) la tachocline (0.7 à 0.8 Rs), zone tampon fluide, transition entre la zone à rotation uniforme et zone à rotation différenciée selon la latitude, source probable du champs magnétique ; (4) la zone convective (de 0.8 Rs à la surface), d’une température allant de 2.000.000 à 6400°C, parcourue par des vagues de convection allant des pôles vers l’équateur et de la profondeur vers la surface. Elle génère sous la surface, des « supergranulations » (30.000 km de diamètre environ) qui évacuent la chaleur vers les granulations de surface et les « racines » des « spicules » (jets de matière de 500 km de diamètre allant jusqu’à 10.000 km d’altitude) guidées par les flux magnétiques. D’après les observations de la sonde SoHO (ESA), les « CME » (éjections de masse coronale) proviendraient aussi de la surface de cette région (donc de dessous la photosphère); (5) la  photosphère (500 km d’épaisseur), la température, en moyenne de 6000°C y décroit inversement à la profondeur. C’est la surface à laquelle nos instruments d’observations peuvent accéder (à distance!) et l’on y voit les granules mentionnées plus haut, d’une taille de 1000 à 3000 km, surface des supergranulations, entre ces granules, des tubes de flux magnétiques et à l’occasion une « facule » (zone brillante) ou une « tâche solaire » (zone sombre et « froide », à moins de 4000°C) qui peut mesurer de quelques milliers à plusieurs centaines de milliers de km et durer de quelques heures à quelques semaines; enfin (6) l’atmosphère que l’on subdivise en trois zones : la chromosphère, la couronne et l’héliosphère. Curieusement la chromosphère (quelques 1500 km d’épaisseur, de 500 à 2000 km d’altitude) que l’on aperçoit comme un anneau rougeâtre très fin lors des éclipses totales, commence par des températures relativement peu chaudes (4100°C) mais elle monte ensuite jusqu’aux environs de 20.000°K/C. Examinée avec un filtre, on peut y voir des « plages » (zones chaudes) contrepartie des facules photosphériques, des « fibrilles et « filaments, résultat d’une activité magnétique intense. Ensuite, dans une « zone de transition » assez chaotique d’environ 200 km vers la couronne, la température monte très rapidement jusqu’au million de degrés. La couronne est beaucoup plus chaude que la zone de transition, de 1 à 2 millions °C en moyenne jusqu’à 8 à 20 millions °C. Visuellement c’est la magnifique chevelure de l’astre, que l’on voit ébouriffée et énorme, lors des éclipses totales. C’est le lieu d’ouvertures des lignes de champ magnétique vers l’espace déterminant la magnétosphère solaire, et le lieu des projections d’énergie et de matière. Les lignes de champ entraînent en effet l’hydrogène de la surface solaire qu’elles ionisent en protons et électrons (1 millions de tonnes par seconde). C’est le point de départ de ce qu’on appelle le vent solaire. La couronne peut s’étendre jusqu’à une vingtaine de rayons solaires (0,1 unités astronomiques) mais elle fluctue beaucoup. Elle se poursuit par l’héliosphère, domaine du vent solaire, qui s’étend jusqu’aux confins de notre système solaire, à l’héliopause, onde de choc devançant sa course autour de la galaxie, à 230 km/s, déterminée par la confrontation de la vitesse du vent solaire protégé par la magnétosphère, avec le milieu interstellaire. Seuls les photons (et Voyager 1!) passent (a passé) l’héliopause et ce sont eux qui sont nos messagers auprès des autres étoiles.

Au-delà de sa structure, pour le moment stable, il faut voir le Soleil et son environnement dans son fonctionnement, comme un milieu dynamique. Il y a des règles ou des lois mais dans leur cadre, tout est mouvement et tout évolue! Outre son attraction par force de gravité dont le rayon s’étend bien au-delà de Pluton puisqu’elle commande à la Ceinture de Kuiper et aux Nuages de Oort, l’activité du Soleil fondée sur la fusion nucléaire se manifeste comme on l’a vu par ses lignes de champs magnétiques et ses émissions de flux photoniques (résultant de la conversion des 4,3 millions de tonnes/s mentionnées ci-dessus) et de matière (le million de tonnes/s également déjà mentionné), l’ensemble étant en interaction. Les photons ce sont les rayonnements lumineux, les ultra-violets et le rayonnement infra-rouge, la matière ce sont les particules, (« SeP », Solar energetic Particle), qui constituent le vent solaire. Les émissions solaires constituent un fond continu. Les flux de photons (irradiance) montrent une très faible variation (moyenne 1360 W/m2 au niveau de l’orbite terrestre) mais les flux de particules sont aussi rythmées par des cycles, le plus court et le plus connu étant de onze ans (en 2019 nous sommes en bas de cycle). Les projections violentes, à la périphérie des tâches solaires, s’annoncent par la floraison de ces dernières. On a ensuite des accès qui peuvent donner des tempêtes solaires s’ils sont suffisamment forts et parfois des éjections de masse coronale (CME, voir plus haut). A l’intérieur de l’héliosphère, les particules ionisées sont projetées hors du Soleil radialement à partir de sa surface mais la rotation du Soleil sur lui-même (la moyenne de celle des différentes bandes, fonction des latitudes, est de 27 jours) provoque une torsade en spirale du champ magnétique. Cette forme curieuse (voir illustration de titre) est appelée, « nappe de courant héliosphérique » ou « spirale de Parker » du nom de l’astrophysicien américain Eugène Parker qui l’avait prédite dans les années 1950. Elle s’étend jusqu’aux environs de l’orbite de Jupiter. Donc si on peut dire que les émissions sont directionnelles (elles suivent les lignes de force du champ magnétique), leur trajectoire est difficile à prévoir, ce qui aggrave leur danger pour les voyages interplanétaires. De plus si ces éruptions se manifestent autour du pic d’activité de onze ans, ce n’est pas toujours le cas ! A noter enfin que plus le Soleil est actif, plus les rayonnements et les particules qu’il éjecte font écran aux rayonnements galactiques (GCR) dont certains éléments sont extrêmement énergétiques (2% sont des noyaux d’atomes lourds – HZE – très accélérés). Quand on se promènera dans l’espace profond, il faudra donc choisir entre moins de risque de tempête solaire mais une dose de radiations GCR élevée et une dose plus faible de GCR mais un plus grand risque de tempête solaire. Pas facile !

Beaucoup de questions se posent. Les variations de températures s’expliquent mal, notamment leur remontée très forte dans la chromosphère. Et puis on voudrait mieux connaître le fonctionnement des cycles solaires qui présentent des irrégularités sensibles d’intensité. C’est important non seulement pour les voyages interplanétaires mais aussi pour les activités terrestres (l’éruption solaire de 1989 a causé de sérieux dégâts et à l’époque moderne on n’en a pas encore vécu d’aussi grave que celle de 1859 où il n’y avait ni satellites ni beaucoup de télécommunications, à part le télégraphe). On observe à distance le Soleil compte tenu de sa température et de sa force de gravité (plus on s’approche, plus la satellisation suppose une vitesse élevée pour ne pas chuter dans le Soleil puisque sa vitesse de libération est de 617 km/s contre 11,2 pour la Terre). On a envoyé quelques sondes, l’avant dernière SoHO (en activité jusqu’en 2020) orbite en halo autour du point de Lagrange L1, entre la Terre et le Soleil, la dernière Parker (NASA), lancée en 2018, doit s’approcher beaucoup plus près, jusqu’à presque “toucher” la Couronne. Elle a été équipée de dispositifs de protection remarquables. Je vous en parlerai la semaine prochaine.

Illustration de titre: spirale de Parker (domaine public). La planète la plus extérieure est Jupiter.

image ci-dessous: une tache solaire. On y voit bien la tache proprement dite, les bords très actifs sur le plan magnétique et les granules ordinaires de la surface solaire:

image ci-dessous, paysage solaire, à la surface de la photosphère:

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Index L’appel de Mars 19 08 08

Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

6 réponses à “Le Soleil, source de vie mais père terrible qu’on connaît encore mal!

  1. Avec une perte de masse de 4.3 millions de tonnes par seconde convertie en énergie par l’équation d’Einstein E=MC2, on trouve 3.87 * 10^26 watts (on n’imagine pas l’énormité du nombre), ce qui nous amène au niveau de notre planète à 150 millions de km une énergie de 1368 watts/m2. La Terre en reçoit donc 1,5 * 10^17 watts . Cette maigre part représente tout de même 10’000 fois celle que l’humanité consomme à longueur d’année . Est-il nécessaire de construire des mini soleils sur Terre ?
    Vous cherchiez de l’énergie, il suffit de lever les yeux !

    1. Merci Monsieur Giot pour ce calcul qui met bien en évidence la puissance du Soleil.
      Maintenant (1) il faut collecter cette énergie (les 1368 W/m2), ce qu’on ne pourrait faire continuement et sans occultation que sur l’orbite terrestre; (2) améliorer la capacité de conversion en énergie électrique de nos panneaux solaires (je crois qu’à titre expérimental on arrive à 40%) et (3) faire aussi des progrès dans le stockage.
      Ceci dit le solaire est sûrement l’avenir!

  2. Très intéressant cet article sur notre étoile source de lumière et de vie.
    Je vis à Florence depuis plusieurs années et je connais Arcetri précisément de toutes ces années.

    Cependant, ce n’est que récemment que je suis devenu passionné – vraiment presque amoureux – par le travail des chercheurs d’ Arcetri et leur engagement envers la divulgation.
    Ainsi, tout comme à la fin de leurs soirées intéressantes je pose des questions qui sont peut-être un peu trop “philosophiques”, je me permets d’en faire une pour vous aussi.

    Vous dites que l’avenir de notre bien-aimée Planète Terre n’est pas en danger immédiat étant donné la “phase linéaire” de l’équilibre des processus de fusion atomique en cours.
    Mais vous pourriez me donner votre opinion (même) si sur Terre, nous l’Homme – précisément l’homme dit Homo Sapiens – sommes encore dans sa “phase linéaire” ou un peu “en avance sur son chemin de vie” comme “phénomène” biologique (cosmique ?) que comme tout (vous m’enseignez) les “objets” cosmiques (peut-être) arrivent à leur fin dans un terme assez proche (étant donné évidemment mon ignorance je ne précise pas le nombre des ans).

    Cette question provient par ailleurs des nouvelles provenant des incendies qui se poursuivent dans les régions septentrionales de la Terre (pôle Nord) et du rejet dans l’atmosphère d’un flux gigantesque et imparable de CO2.
    Je vous demande seulement votre opinion, non pas pour donner l’alerte, mais seulement pour donner des indications d’approfondissement, sur un niveau personnel, a tous ce qui, comme moi qui, sont très curieux.

    Je vous remercie beaucoup.

    1. Cher Monsieur,
      Je réponds volontiers à votre interrogation car je crois important de considérer l’avenir et notre place, en tant qu’hommes, dans ce monde. Dans mon article, je dis que notre planète n’est pas en danger immédiat du fait du Soleil mais je ne dis pas que l’homme ne pourrait pas disparaître de sa surface, bien avant le terme qui lui est fixé par l’évolution même du Soleil.
      Je pense qu’il est normal dans le principe que nous ayons un impact sur notre environnement car nous faisons partie du monde terrestre, nous sommes une des composantes de sa biosphère et d’autre part je suis très admiratif des constructions physiques, intellectuelles, esthétiques de notre humanité (à commencer par les travaux de Galilée, honorés par l’Istituto nazionale di astrofisica à Arcetri). Je pense que ces réalisations valent bien de nombreuses transformations de la « Nature » telle qu’elle était avant l’homme. Une vie a forcément un effet de transformation sur la vie elle-même (évolution) et sur les composants externes à la vie et qui lui sont accessibles. Ce sont les algues vertes qui nous ont apporté l’oxygène. Ce sont les vers de terre qui aèrent notre sol et permettent à nos plantes de se nourrir. Ce sont les coquillages qui en fixant le calcium de nos océans ont absorbé une part énorme du CO2 de l’atmosphère, etc…
      Je pense cependant que depuis l’avènement de l’ère industrielle notre impact sur notre environnement est devenu trop rapide. La brutalité n’est pas bonne pour les équilibres. Pour être acceptable une évolution quelconque doit se faire à une vitesse permettant précisément l’évolution des autres sous-ensemble du système.
      Alors que faire ? Question évidemment fondamentale à laquelle nous ne pouvons pas ne pas nous efforcer de répondre.
      Je pense qu’étant devenu conscients du problème environnemental nous devons le traiter sans « paniquer », avec toute notre intelligence et en sauvegardant au maximum notre liberté individuelle (ne pas le faire serait couper des possibilités peut-être essentielles). Pour moi cela veut dire considérer la situation comme elle est et chercher des solutions pour que la vie humaine continue à briller dans sa diversité par ce qu’elle est peut-être la seule à pouvoir porter : l’intelligence, le sentiment, l’expression esthétique. Je pense que c’est cela qui, au-delà d’un plus grand respect de l’environnement, un moindre gaspillage, un recyclage systématique, peut nous conduire à des solutions qui seront plus des ouvertures vers d’autres possibles que nous réaliserons progressivement, plutôt que vers des enfermements et des régressions. C’est pour cela que la grève de l’école me scandalise, que le refus d’explorer l’univers en considérant que ce n’est pas une priorité, me désole, que le refus d’essayer de coloniser l’univers proche (Mars), me semble une folie car assimilable à une flagellation et à une auto-condamnation, au repli sur nous-mêmes et à l’enfermement alors que nous avons le potentiel d’être le sel de l’univers.
      Comme toujours les meilleures solutions ne sont pas à rechercher dans les extrêmes. Mais pour moi il y a un préalable c’est l’arrêt de l’explosion démographique mondiale et d’abord évidemment dans les pays tropicaux (c’est là où elle a lieu), un plus grand respect des autres formes de vie et la diffusion auprès de tous les êtres humains de l’esprit rationnel et scientifique. Si nous n’y parvenons pas, il me semble que ce sera pour nous tous, le retour à la barbarie, à la guerre, à la misère et sans doute à notre disparition comme ce fut le cas des dinosaures.

      1. Je vous remercie beaucoup Monsieur Brisson de votre réponse aussi complète, détaillée et équilibrée avec des argumentation basées sur votre compétence scientifique. Je suis d’accord que la brutalité des choix de l’homo sapiens a un impact imprévisible sur les équilibres écologiques et sur la vie/mort de celui-ci aussi sur la base des ressources naturelles auxquelles nous donnons / ne donnons pas le moyen/le temps de se régénérer. À cet égard, c’est par coïncidence que j’ai lu que Monsieur Hubert Giot écrit sur le soleil et le bilan énergétique extrêmement positif qui nous est fourni du Soleil par l’homme. Il n’y a donc aucun problème, je crois, que les ressources sont abondantes, même pour une population plus grand nombreuse que le courant en termes d’équilibre énergétique. Donc, vraiment (si je n’ai pas bien compris) selon vous, l’homme doit/devrait arrêter un phénomène biologique naturel comme vous l’appelez “explosion démographique” ?
        De ce que j’ai “appris” (en amateur) à Arcetri, les phénomènes cosmiques en cours – chaque instant, chaque jour – se déroulent avec une immense violence intrinsèque et avec des transformations radicales des corps qui ont pourtant formé (toute cette violence et ces transformations) la Vie sur cette merveilleuse planète avec un habitant comme l’Homme qui a produit beauté, créativité, art visuel, art musical (Mozart ne se définit pas comme un compositeur mais un “transcripteur” de l’harmonie du Cosmos).
        Entre mes parents et mes grands-parents, il y a une tradition de compétence pour les plantes.
        Je me souviens qu’une discussion familiale à table le dimanche a été que lorsque les plantes sont taillées, la Force de la Nature réagit, “explose” en produisant des fruits en abondance et de nouvelles ramifications déployant toute cette énergie pour contrer le “signal de danger” d’extinction capté par les plantes elles-mêmes lors de le taillage (même si elle est faite pour de bon) effectuée par le jardinier. Nous sommes sûrs que bloquer (j’imagine avec les systèmes de contrôle des naissances) les réplications améliorées des acides aminés de DNA toujours régénérés par la vie ne changerait pas la garantie que la Nature puisse continuer à donner naissance à de nouveau Mozart, Bach… Léonard de Vinci ?
        Excusez-moi, c’est juste un point de vue personnel, sans esprit polémique et très respectueux de votre expérience et de votre compétence.

        1. Je pense que la nature humaine s’exprimant par la fécondité des femmes était adaptée depuis les origines pour un renouvellement des générations qui pouvait tendre vers une lente augmentation fonction du “succès” biologique de l’espèce. Avec la médecine le déséquilibre a été rompu (ce qui humainement ne doit pas être regretté, évidemment). On peut constater qu’avec le développement économique et l’éducation, un rééquilibrage se fait, par une diminution des naissances, mais le choc est violent. C’est à dire qu’il y a une période pendant laquelle les naissances continuent en nombre alors que les décès chutent considérablement.
          Si nous pouvons supporter le choc écologique que cette discordance créé, c’est très bien mais il semble qu’actuellement nous touchons à des limites au-delà desquelles les dommages seraient irréversibles sur notre environnement et ce d’autant que nos nouveaux moyens technologiques nous permettent d’avoir sur lui un impact accru.
          J’espère donc que le rééquilibrage se fera naturellement, sans contraintes, de telle sorte que la population se stabilise et que les progrès technologiques continuant, ils nous permettent d’avoir un impact plus raisonnable sur cet environnement “naturel”. En attendant il faudrait que les responsables politiques des différents pays encore dynamique sur le plan des naissances, arrêtent leurs politiques natalistes et fassent comprendre à leur population que plus n’est pas forcément mieux. Ce n’est pas gagné!

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