LE SOLEIL NOTRE ETOILE

 

Quelques chiffres

  • Etoile naine (série principale de type spectral G2V)
  • Distance moyenne à la Terre : 149 598 845 kilomètres (1 Unité Astronomique UA)
  • Diamètre apparent moyen : 32' (31'31" en juillet à 32'35" en janvier)
  • Rayon solaire : 695 500 km
  • Température au centre du Soleil : 15 millions de degrés
  • Masse : 2.1030 kg, 333 432 fois celle de la Terre
  • Magnitude : -26,88
  • Magnitude absolue : 4,72
  • Constante solaire : 2 calories/mn sur 1 cm2 de surface, perpendiculaire aux rayons lumineux à 1 AU hors atmosphère terrestre.
  • Rotation sidérale variable suivant la latitude : 25,2 jours à l'équateur, 32,2 jours à la latitude 70° et 34 jours au voisinage des pôles. C'est la rotation différentielle. Pour le calcul des éphémérides et de la rotation synodique, on retient la moyenne de 25,38 jours. La rotation différentielle serait la cause du cycle de 11 ans de l'activité solaire.

 

Généralités

L'énergie du Soleil provient des réactions thermonucléaires, essentiellement de la transformation d'hydrogène en hélium

Le soleil est un réacteur nucléaire confiné et régulé par sa propre gravitation,sans l'apport d'énergie des réactions nucléaires notre soleil ne brillerait qu'une vingtaine de millions d'années,or voilà 4,5 milliard d'années qu'il brille.

Les réactions nucléaires par modifications des noyaux atomiques,transforment un élément chimique en un autre élément si le nombre de proton est modifié.De la réaction il résulte l'émission de neutrinos et photons gamma,les premiers s'échappent les seconds chauffent la région ou il se trouvent.En se transformant en hélium,l'hydrogène perd 0,7% de sa masse , cette masse perdue est transformée en énergie.Sur l'ensemble de l'étoile cette perte correspond au total à l'annihilation de 4,3 millions de tonnes de matière /s, 600 millions de tonnes d'hydrogène devenant environ chaque seconde de l'hélium.Il résulte donc une luminosité solaire de 3,85*10exp26 watts ,à laquelle il faut ajouter l'énergie emportée par les neutrinos qui ne représente que quelques pourcent de la première.Le cycle du carbone ne fournit que 2% de l'énergie rayonnée par le soleil,mais il est significatif en terme de production de neutrinos.

Les réactions se subdivisent en 2 cycles distincts,le cycle proton-proton et le cycle du carbone,chaque cycle transforme finalement 4 noyaux d'hydrogène en un noyau d'hélium.

C'est au centre du soleil, dans le coeur ou la densité 150gr/cm3,la température est maximale 15 millions° l'énergie nucléaire est libérée.Avant de rayonner vers l'espace l'énergie traverse toute l'étoile,1 à plusieurs millions d'années plus tard ,après avoir traversé la couche radiative et convective elle arrive à la surface,transportée sous forme de photons.

Différentes vues de l'intérieur-extérieur,de perspectives du Soleil et d'évènements se produisant à sa surface et dans son atmosphère.

Différentes vues de l'intérieur-extérieur,de perspectives du Soleil et d'évènements se produisant à sa surface et dans son atmosphère.

 

La photosphère est la partie visible du Soleil en lumière blanche. On y observe

Les facules et les régions actives: les taches ne sont pas isolées,elles sont bordées de facules photosphériques qui sont aussi présentes dans les régions actives sans taches.La différence de température entre les facules et les régions calmes est 2000°K,dans la haute photosphère.Dans la chromosphère ,les plages chromosphériques prolongent les facules.La vie d'une région active commence par un pore,petite tache,qui,si leur diamètre est supérieur à 5000km environ,croissent pour donner une tache.Plusieurs pores peuvent également se regrouper en une seule tache.Après la phase d'émergence du champ magnétique et de croissance des taches,le champ magnétique des taches évolue à l'échelle de quelques jours,mais les groupes de taches peuvent subsister dans des cas extrêmes plus d'un mois.Quand les taches ont disparu,les facules prolongent encore la vie de la région active.Elles se dispersent finalement ,disloquées par la rotation différentielle.Les derniers phénomènes subsistant après la disparition de la région active sont les filaments (protubérance).Les filaments observés dans la raie H-alpha (656,28nm ~) sont des structures coronales présentes dans les régions actives comme dans les régions calmes.

Vue d'une protubérance au dessus d'un centre actif et aussi de la chromosphère:vu dans la raie (rouge) H-alpha 656,28 nm (longueur d'onde) Vu d'un grand groupe de taches solaires en lumière blanche

Les taches :elles ont un noyau très sombre, l'ombre et sont entourées de pénombre contenant des filaments qui convergent vers le noyau. Son apparition est précédé de pore. L'ombre est plus froide que l'environnement et le champ magnétique est très fort. Dans un groupe de taches (GTS), la tache de tête est de polarité inverse que la tache de queue. Les tache de tête d'un GTS de l'hémisphère nord sont toujours de polarité inverse par rapport à celles de l'hémisphère sud. De même, il y a inversion de polarité au passage d'un cycle solaire à un autre. La surface couverte par les taches varie de jour en jour.L'indice relatif international des taches: Ri est déduit du comptage systématique des taches grâce à la collaboration de plusieurs dizaines d'observatoires et d'amateurs(GFOES,Observateurs Associés,SAF,SAN,SAP----etc),dont les données sont collectées et synthétisées par l'Observatoire de Bruxelles(SIDC).Chaque observateur dénombre les taches et estiment le nombre de groupes de taches présent sur le soleil ,pour chaque observation on calcule lenombre de Wolf journalier avec la formule W=10*G+N.

Courbes montrant l'évolution de nombre de Wolf sur le cycle 22 et le cycle 23

Le cycle solaire des taches:

Le début d'un cycle solaire est déterminé quand apparaissent des taches de polarité opposée à celles déjà existantes pour un même hémisphère. Les taches de l'ancien cycle sont plutôt proches des pôles, celles du nouveau cycle proches de l'équateur.De plus la polarité des taches d'un groupe bipolaire ,pour un cycle de numéro impair est nord pour la tache de tête et sud pour celle de queue dans l'hémisphère nord.Lors du cycle suivant la polarité des taches correspondantes s'inverse.Les cycles magnétiques durent 22 ans ,plus communément on considère qu'il y a 2 cycles de ~11ans.

Le GFOES suit l'activité solaire par le nombre de Wolf (W=k*(10*g+t) où k constante propre à l'observateur, g nombre de groupes et t nombre de taches) et par les positions des groupes de taches.

 

L'âge du soleil:

Toutes les étoiles naissent ,vivent et meurent,dès lors comment savoir son âge.La datation d'une étoile fondée sur un principe simple :on modélise ses changements de structure interne, ainsi que son aspect et sa composition extérieure au fil des millions et milliards d'années de son existence.Puis on compare les résultats du modèle par rapport à d'autre étoile par l'observation.Parmi ces observations,on mesure la composition de surface par spectroscopie:la présence de raies d'absorptions caractéristiques d'un composé dans le spectre du SOLEIL ou d'une étoile en signale la présence.Par rapport à cela on mesure directement la luminosité apparente et bien sur pour le SOLEIL la distance est connue,donc on peut en tirer la luminosité absolue.

La modélisation précise est délicate,car certains phénomènes sont encore mal compris,tels la convection ou les effets de la rotation .Dans le cas de notre soleil,ce travail est facilité ,ou plutôt contourné:en effet,les formations d'une étoile et de son cortège éventuel de planètes sont simultanés .L'age du SOLEIL est donc celui des objets les plus anciens de notre système solaire,soit 4,53 milliards d'années,à 40 millions d' années près,une valeur fournie par les isotopes présents dans les météorites.Connaissant la durée de demi-vie des isotopes instables,sa concentration et celles de ses produits de désintégration cela donne l'âge de l'objet.

 

Le vent solaire et les différents rayonnements envoyés par le Soleil :

L'origine du vent solaire,ce sont les observations des queues de comète et celles d'un entre,l'activité géomagnétique et les aurores polaires qui ont au XIXème siècle , fait suspecter la présence de particules émises par le soleil .Il a fallu attendre le milieu du XXème siècle pour que l'on découvre réellement le vent solaire.Tous les doutes ont finalement disparu,en 1962,grâce à la détection et à l'étude du vent solaire par la sonde MARINER 2.

Que le soleil perde de la matière par évaporation montre en effet que dans la couronne ,les particules les plus rapides ont une vitesse qui leur permet d'échapper à la gravité solaire si elles ne subissent pas de collision sur leur trajet.Cette vitesse à la surface du Soleil est de 435 km/s pour les protons.

Le vent solaire est un plasma ionisé ou protons et électrons gardent une grande indépendance,car les collisions sont rares.Dès que l'on mesure la densité et la vitesse des protons sur une durée suffisamment longue,on met en évidence 2 régimes de vent distincts ..Les vents solaires lents,dont la vitesse est en moyenne de 350 km/s,ont une densité de 10 protons/cm3 au niveau de l'orbite terrestre.Les vents rapides,dont la vitesse est de 700km/s,ont une densité 3 à 4 fois moindre.De même le flux total d'énergie ,est assez semblable dans les 2 cas.Le vent rapide est issue des trous coronaux aux pôles et sur le reste du limbe surtout autour du minimum du cycle solaire.Le vent le plus lent provient de la ceinture de jets de part et d'autre de l'équateur .La température moyenne des protons est à 1 UA de 50.000° pour le vent lent et de 250.000° pour le vent rapide.Celle des électrons inversée ,est respectivement de 200.000° pour le vent lent et de 130.000° pour le vent rapide ..

Vu du coronographe SOHO/LASCO C2 montrant l'origine du vent solaire,le cercle représent le disque solaire.

Le champ magnétique du vent solaire lui n'est pas orienté dans la direction du mouvement de la matière.Dans le vent solaire le champ magnétique est de l'ordre de quelques nanoteslas(nT).Il fluctue d'une manière importante comme les autres grandeur mesurables in-situ.Les observations du vent solaire ont ici un grand intérêt pour les théoriciens,les divers instruments mesurent simultanément les caractéristiques des électrons ,des ondes de plasma,et les ondes radioélectriques émisent,alors que dans la couronne seules ces dernières sont directement observable.

Le vent solaire s'échappe radialement de la couronne .Cependant vu de l'extérieur ,la trajectoire du plasma issu d'un point donné de la surface ,est une spirale d'Archimède,comme l'eau giclant d'un tourniquet de jardin.Le champ magnétique gelé dans le plasma suit cette spirale.Plus simplement peut-être,on peut dire que les lignes du champ magnétique sont entraînées par le mouvement radial d'expansion du vent,tout en restant ancrées dans la photosphère:avec la rotation ,qui déplace le point d'ancrage,les lignes du champ magnétique forment une spirale.

Spirale d'Archimède du vent solaire et son origine sur le Soleil.

L'angle de la spirale dépend de la vitesse du vent.A l'orbite terrestre et pour une vitesse de 450km/s,cet angle est de 51°.La longueur de la spirale d'Archimède du Soleil à la Terre est de 1,36 UA,c'est la distance minimale parcourue par les particules ionisées,accélérées lors d'éruptions,pour atteindre la Terre.

En raison de la rotation solaire,toutes les structures tournant avec lui balayent le milieu interplanétaire en 27 jours environ.La Terre passe successivement de polarité Nord à polarité Sud,suivant qu'elle se trouve au-dessus ou au-dessous de la ligne neutre(lame neutre), d'ou l'importance de la surveillance de la composante Bz du champ géomagnétique qui détermine le niveau d'activité de la magnétosphère.