Talk held by Etienne Pariat at the Societé Astronomique de France, Paris, June 8, 2016

1. Où en sommes-nous de la
prévision de l’activité solaire et
de ses impacts sur la Terre ?
La mission Solar Orbiter
Mercredi 8 Juin 2016
Société Astronomique de France
Etienne PARIAT
Taille de la Terre
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

2. L’activité solaire dans les media grand public …
« Perfect Disasters » ep. 2 ; Discovery Channel Films catastrophes liés à une éruption solaire
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Sites web typiques de “fin du monde”

3. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
… et sa RECENTE prise en charge institutionnelle
Conséquence/impact
Fréquence / Probabilité
• Forum de discussion et de
coordination à l’ONU
• Comité à l’agence
météorologique internationale
• Plans stratégiques (trans-)
nationaux:
– Agence Spatiale Européenne:
Space Situational Awareness
(SSA, depuis 2009)
– R.-U. Office cabinet (2012)
– Executive office of the US
President (depuis 2015)
• Services de prévision dédiées
– UK Met Office
– USA NOAA
– Armée Française
– …

4. Qu’est ce que l’activité solaire ?
Qu’est ce qu’une éruption solaire?
Quel est l’impact des éruption sur Terre?
Comment surveiller l’activité solaire?
Comment se déclenchent les éruptions ?
Un point sur Solar Orbiter:
la prochaine mission européenne d’étude de l’héliosphère
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

5. Qu’est ce que l’activité solaire ?
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

6. Le Soleil pendant une semaine:
lumière visible
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre


7. Le Soleil en lumière visible
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
La lumière visible émisse par le Soleil présente est quasiment
constante dans le temps  La « Constante » solaire

8. Le Soleil pendant une semaine:
Ultraviolet = atmosphère solaire
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre


9. Le Soleil pendant une semaine:
Ultraviolet = atmosphère solaire
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
L’atmosphère solaire, observée en UV, présente de nombreuses et
soudaines variations d’intensité lumineuse et de forme: ces
variations constituent l’activité solaire

10. Le Soleil en lumière visible
pendant une éruption majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre


11. Le Soleil en lumière visible
pendant une éruption majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre


12. Le Soleil en lumière visible
pendant une éruption majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre


13. Les régions actives
Taches solaires
 régions brillantes de l’atmosphère
 source de l’activité solaire
 régions actives
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille
de la
Terre


14. L’activité solaire est omniprésente
• L’activité solaire se
déroule sur une vaste
gamme d’échelles:
– temporelle
– spatiale
– énergétique
• La fréquence des
éruptions est
inversement
proportionnelle à leur
« taille ».
• Seules les éruptions
solaires « majeures »
posent un risque …
mais ce ne sont pas
nécessairement les
plus violentes
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
12hrs
4hrs
30mns

15. L’activité solaire est cyclique
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

16. Le cycle solaire
• Minimum d’activité
– Peu de taches
solaires
– Peu d’éruptions
• Maximum d’activité
– Nombreuses taches à
la surface solaire
– ~5 éruptions/jour
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

17. Qu’est ce qu’une éruption?
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

18. Les interactions Soleil-Terre lors
d’une éruption solaire
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
2) Particules
énergétiques
1) Lumières
3) Ejection de
Matière Coronale

19. Une éruption solaire majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille de la Terre 
Durée: Apparition
en qqs
minutes et
dure qqs
heures
Energie: 1026 J
- 1 milliard de
fois Tsar
Bomba
- 1 million de
fois
consommation
mondiale
annuelle
d’énergie
- 1 millième
énergie de la
rotation
terrestre

20. Embrillancement - « Flare »
• “Flare”: embrillancement soudain se développant dans
l’ensemble du spectre électromagnétique
• Photons arrivent au niveau de l’orbite terrestre en ~500 s.
• Impact limité sur l’environnement magnétique terrestre
(Schrijver
et al. 11)
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

21. Les interactions Soleil-Terre lors
d’une éruption solaire
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
2) Particules
énergétiques
1) Lumières
3) Ejection de
Matière Coronale

22. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Particules énergétiques
• Des particules de
l’atmosphère solaires sont
accélérés à des vitesses
relativistes
– Faisceaux d’électrons de
protons et de neutrons
• Certaines particules précipitent
vers le Soleil: rubans d’éruption
• D’autres particules sont
éjectées dans le milieu
interplanétaire
Impact: rubans d’éruption
Faisceaux d’électrons :
émission radio

23. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Particules énergétiques
• Faisceau de particules énergétique
se propageant dans l’héliosphère:
– génèrent des émissions radio lors de
leur propagation:
Nancay Radio Heliograph
Courtesy of E. Carley & P. Zarka

24. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Particules énergétiques
• Parfois ces particules finissent par
arriver au niveau de la Terre
– Arrivent à la Terre en ~10-15 minutes
– Faisceaux de particule très étroits:
interaction rare: ~10 évènements/ cycle
solaire
• Possèdent une énergie très importante
(1 GeV =10-10 J)  très fort pouvoir
irradiant / destructeur (énergie liant 2
molécules ~ 10-18 J)
E= 4.15 GeV
Moniteur
à neutrons
(Kerguelen)
Protons relativistes
Impact: rubans d’éruption
Faisceaux d’électrons :
émission radio
• Vecteur de l’interaction Soleil-Terre le moins bien connu
–  un des principaux objectifs de la mission Solar Orbiter

25. Les interactions Soleil-Terre lors
d’une éruption solaire
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
2) Particules
énergétiques
1) Lumières
3) Ejection de
Matière Coronale

26. Ejections de Masse Coronales (CME)
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Taille de
la Terre

CMEs: ejection violente de matière solaire vers l’héliosphère
Vitesse: 300-2000 km.s-1 ; Masse: 1010-1012 kg ; Energie: <1026 J

27. L’environnement proche du Soleil:
Coronographe = éclipse artificielle
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

28. L’environnement proche du Soleil:
Coronographe = éclipse artificielle
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

29. Ejection de Masse Coronale lors
d’une éruption solaire majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

30. Ejection de Masse Coronale lors
d’une éruption solaire majeure
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

31. Crédits: NASA
La propagation des Ejections de Masse Coronales
dans le système solaire observée par STEREO
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

32. Ejections de Masse Coronales
• CMEs: immenses structures magnétique
• Arrivent à la Terre en 1,5 – 4 jours
• Principal perturbateur de l’env. terrestre
– Masse importante de particule chargée
– Champs magnétique important pouvant interagir
avec le champ magnétique terrestre
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

33. Les éjections de masse coronales
lors du maximum d’activité
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

34. Quel est l’impact des éruption
sur Terre?
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

35. Crédits: NASA SVS
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

36. Les conséquences: l’agréable…
Crédits: NASAE.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

37. … et le moins agréable
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

38. Les conséquences
• Dommages sur les
satellites artificiels
– Erreurs de fonctionnement
– Changements d’orbite
• Surtensions électriques
– Réseaux électriques
– Oléoducs
• Coupure globale de
courant électrique
• Perturbations des
communications radio, du
GPS, du trafic aérien
• Radiations sur humains
– Astronautes
– Personnels naviguants
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

39. Météorologie de l’Espace
• Prévoir et Quantifier les effets
SPECIFIQUES et CUMULATIFS de
l’impact de l’activité solaire sur les
activités humaines.
• De plus en plus de centres de prévision:
– NOAA: Space Weather Prediction center
– UE : ESA Space Situation Awareness program
– UK Met Office
– Armée Française
• Questions clefs:
– Si une éruption à lieu:
• Va-t’elle impactée la Terrre?
• Quels seront les dommages?
– Une éruption aura-t’elle lieu?
• Quand?
• Où?
• Quelle seront ses propriétés?
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

40. Un peu de fiction scientifique
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

41. Comment surveiller
l’activité solaire?
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

42. Taille de la Terre 
Crédits: NASAE.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

43. TRACE
SoHO
RHESSI
Hinode
STEREO
SDO
PICARD
GOES
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

44. TRACE
SoHO
RHESSI
Hinode
STEREO
SDO
Radioheliographe
de Nancay
Observatoire de
Meudon
Observatoire
du pic du midi
PICARD
THEMIS
(Canaries)
GOES
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

45. TRACE
SoHO
RHESSI
Hinode
STEREO
SDO
Radioheliographe
de Nancay
Observatoire de
Meudon
Observatoire
du pic du midi
PICARD
THEMIS
(Canaries)
Big Bear
(USA) Mauna Loa
(Hawaii)
Huairou
(Chine)
Hida (Japon)
VTT & Gregor (Canaries)
DOT
(Canaries)
Nobeyama
(Japon)
GOES
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Pourquoi autant d’instruments ?
Surveillance temporelle la plus
complète possible …

46. Obtenir un diagnostic complet ….
… sans “toucher’’ l’objet d’étude
IRM
Scanographie
Echographie
Echographie
TEP/ Tomographie
Radiographie X
Scintigraphie g
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

47. Obtenir un diagnostic complet ….
… sans “toucher’’ l’objet d’étude
X Hinode
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

48. L’atmosphère
solaire
Altitude
(106 km)
Densité (g cm-3)
Presion (Dyne cm-2)
103 104 105 106
1 104 108
10-14 10-10 10-410-12 10-610-8
102 106
-5
0
10
15
Convection
Zone
Phot. / Chrom.
Coronna
Temperature
Atmo. Terre 300 1025 105
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAFAtmosphère solaire = milieu très chaud et très ténu

49. Les observations solaires
“une fréquence lumineuse = une température = une couche de l’atmosphère’’
Surface
solaire
Basse
atmosphère
Haute
atmosphère
Haute
atmosphère Espace proche
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

50. Solar Dynamic Observatory
• SDO: Satellites NASA
lancé en 2010
• 100 millionièmes
images: 19 Jan 15
17h49 07s UT!
• Accès données:
JHelioviewer
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

51. Comment se déclenchent les
éruptions ?
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

52. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Les
taches
solaires

53. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Les
taches
solaires

54. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Magnétogramme = Carte
du champ magnétique
• Blanc: pôle
Sud / positif
• Noir : pôle
Nord négatif

55. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Magnétogramme = Carte
du champ magnétique
• Blanc: pôle
Sud / positif
• Noir : pôle
Nord négatif

56. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Magnétogramme = Carte
du champ magnétique
• Blanc: pôle
Sud / positif
• Noir : pôle
Nord négatif
• Les taches solaires correspondent à des
concentrations de champ magnétique
– Hale 1908
– Toujours au moins 2 taches de polarité magnétique opposé

57. Le champ magnétique solaire
• Régions actives =
concentration
magnétique intense.
– Intensité champ
magnétique centre tâches
solaires ~ 0.1T
• Champ mag. Terre: 5x10-5 T
• Aimant frigo: 0.01 T
• Instrument RMN: qqs 10 T
– Taille région active: 108 m
– Flux Magnétique: 1015
Wb!!!
• Aimant Frigo: 10-5 Wb
• Champ mag. Terre: 1010 Wb
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

58. Boucles
coronales
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

59. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Boucles
coronales

60. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Boucles
coronales

61. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Boucles
coronales =
lignes de
champ
magnétique

62. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Le
magnétisme
solaire
• Le champ magnétique structure les
régions actives
• L’énergie magnétique est la source
d’énergie des éruptions solaires.
• Comprendre l’activité solaire 
comprendre son champ magnétique

63. Accumulation de l’énergie
• Champ et énergie magnétique proviennent de l’intérieur solaire
et sont apportés via “l’émergence de flux magnétique”
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Courtesy
NASA SVS

64. L’émergence et l’éruptivité
• Avant et durant une éruption solaire il n’y a pas de variation
brusque à la surface solaire
• De même que pour le volcanisme, nous ne connaissons
pas de signes précurseurs aux éruptions solaires
observable simplement.
(Liu & Schuk 12)E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Surface solaire (lumière visible) Champ magnétique

65. Au cœur des éruptions:
la reconnexion magnétique
• Les éruptions
solaires sont
liées à la
reconfiguration
brutale du
champ
magnétique
• La reconnexion
magnétique est
le mécanisme
central des
éruptions.
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

66. Au cœur des éruptions:
la reconnexion magnétique
• La reconnexion
magnétique
entraine:
– Une reconfiguration
globale du champ
magnétique
– La transformation de
l’énergie magnétique
en d’autres forme
d’énergies
• Chauffage
• Cinétique: particules
et CMEs
• Rayonnement
électromagnétique
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

67. Le modèle standard
des éruptions
• Un modèle standard des
éruptions solaire permet
d’expliquer de nombreux
phénomènes observés lors
des éruptions solaires
– embrillancements
– dynamique de la matière
• Capacité prédictive
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

68. L’énigme du déclenchement
• L’ensemble des processus
déclencheurs des éruptions
solaires est aujourd’hui encore
inconnu!
– Couplage entre mécanismes se
déroulant à des échelles très différentes
• Grande tailles, 107-109 m: régions actives,
stockage de l’énergie
• Petites tailles, 0.1-10 m: reconnexion
• Il est aujourd’hui impossible d’identifier
directement quels sont les
mécanismes déclencheurs
– Observation: meilleure résolution ~50 km
– Expériences de laboratoire: conditions
trop différentes
– Calcul sur ordinateur
• Puissance nécessaire:~1030-38 unités à
étudier simultanément
• Capacité actuelle:~1012 unités traitées
•  Pas de prévisions déterministes
des éruption solaire
1 m
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
108 m

69. • Prévisions basées sur
des modèles empiriques
– par comparaison avec les
éruptions passée
– Fonctionne seulement
avec des fenêtres
temporelle large (> 24h)
• Chance de prédire une
éruption majeure: ~40%
• Prédiction quantitatif de
l’impact inexistant
•  Surveillance
essentiellement
Prédiction des éruptions
(Falconer et al. 11) E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF

70. E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
• Nos capacités
d’alerte se
limitent à
l’impact des
éjections de
masse coronales
• Aucune
information sur
l’impact des
« flares » et sur
les particules
énergétiques
• La recherche
scientifique reste
le principal
moteur dans ce
future secteur
d’activité.
La surveillance de l’activité solaire

71. FLARECAST
• FLARECAST: projet
européen de construction
d’un service de nouvelle
génération de prévision
automatique des éruptions
– Consortium européen
réunissant 8 laboratoires
dans 6 pays.
• Prédiction solaire à l’heure
du « Big Data »
– extraction automatique des
propriétés des régions
actives
– utilisation de méthodes
d’exploration de données et
d’intelligence artificielle
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF
Grant agreement No.640216

72. Conclusions (1)
• La météorologie de l’espace est un domaine en pleine maturation
• Besoin encore important de recherche théorique pour comprendre
les conditions nécessaires lors du déclenchement des éruptions.
• Solar Orbiter : nouvelle mission européenne d’exploration visant à
obtenir un nouvel éclairage de certains des mécanismes les moins
bien compris de la relation Soleil-Terre
E.Pariat - 8 Juin 2016 – SAF