Les alertes sur les tempêtes géomagnétiques se succèdent depuis de nombreux mois. Le physicien Marco Casolino de l’INFN nous explique ce que sont ces phénomènes, comment ils se forment et pourquoi les courants parasites qu’ils induisent peuvent avoir des effets significatifs sur la Terre.
Crédit : NASA/SDO
Depuis les premiers mois de 2023, la fréquence des tempêtes géomagnétiques a augmenté de manière significative, avec une série d’alertes émises par les organismes spécialisés dans la météorologie spatiale. Justement, alors que nous écrivons, le Space Weather Prediction Center de la NOAA prévoit l’impact d’une tempête solaire de classe G1 le week-end du samedi 13 au dimanche 14 juillet 2024. À l’origine de cet événement, un grand trou coronal apparu dans l’hémisphère nord de l’atmosphère de l’étoile ces derniers jours. Mais ce n’est pas seulement le nombre de ces phénomènes qui a augmenté, mais aussi la probabilité de voir des événements plus intenses. Cela a été rappelé par l’événement exceptionnel survenu la nuit du 10 au 11 mai 2024, lorsque les aurores boréales sont apparues même dans le ciel italien. Ce phénomène optique, caractéristique des hautes latitudes, peut se produire même à des latitudes plus basses en même temps que des tempêtes solaires particulièrement intenses. Cette nuit-là, le champ magnétique de la Terre a été la cible d’un puissant flux de vent solaire généré par trois expulsions de masse coronale (CME) survenues en séquence, donnant lieu à une tempête géomagnétique aiguë de classe G4.
Crédit : NOAA
Au-delà du phénomène collatéral et fascinant des aurores polaires, les tempêtes solaires particulièrement violentes peuvent représenter un risque réel pour les infrastructures électriques, les communications, les opérations satellitaires et même le comportement migratoire des animaux exploitant la magnétoréception. Pour mieux comprendre pourquoi ces tempêtes solaires nous « bombardent » ces derniers temps et quel pourrait être leur impact, Netcost-security.fr a contacté le docteur Marco Casolino, Chargé de recherche à l’Institut National de Physique Nucléaire (INFN) section de Rome Tor Vergata, collaborateur du centre de recherche du RIKEN au Japon et vulgarisateur scientifique, également présent sur les réseaux sociaux et plus particulièrement sur YouTube. Voici ce qu’il nous a expliqué.
Docteur Casolino, expliquez-nous d’abord ce que sont les tempêtes géomagnétiques ou solaires et pourquoi depuis de nombreux mois des alertes sont émises concernant ces phénomènes
Les tempêtes géomagnétiques sont causées par l’activité solaire, et comme nous approchons du pic solaire du 25ème cycle solaire, il est assez normal d’avoir plus de tempêtes qu’en période de minimum solaire. Évidemment, ce sont tous des processus aléatoires ou liés à des processus statistiques. En fin de compte, ce sont des phénomènes naturels comme les inondations, les pluies, les tempêtes, etc., simplement liés à la météo spatiale, à ce que l’on appelle le « temps spatial« . Certains collègues disent en réalité que nous sommes déjà dans le pic solaire. Nous devrions nous attendre à plus de tempêtes géomagnétiques et progressivement elles devraient diminuer en nombre et en intensité, ce sont néanmoins des paramètres imprévisibles. Les éruptions solaires, responsables des tempêtes géomagnétiques, augmentent sur toute la surface du Soleil, mais ce n’est que lorsqu’elles sont dirigées vers notre planète qu’elles peuvent se transformer en véritables tempêtes géomagnétiques.
Comment se forment-elles et qu’en découle-t-il?
Tout est une question de qui a l’énergie la plus élevée parmi les particules chargées émises par le Soleil, c’est-à-dire les protons et les électrons, et du champ magnétique qui leur est associé. Le vent solaire est composé de particules émises continuellement par le Soleil, en l’absence d’éruptions solaires. Dans des conditions solaires calmes, elles se déplacent à 400 kilomètres par seconde, ce qui est beaucoup, mais à 1/750 de la vitesse de la lumière. Lorsqu’il y a une tempête solaire, on atteint des vitesses pouvant dépasser 1 000 à 1 100 kilomètres par seconde. Ainsi, les particules ont une énergie cinétique supérieure à celle du champ magnétique interplanétaire dans lequel elles se propagent. C’est l’équilibre entre l’énergie du champ magnétique – qui peut être celui du Soleil, de l’espace interplanétaire ou de la Terre – et l’énergie cinétique qui détermine ce qui se passe. Toute l’activité solaire et son cycle de onze ans sont liés au champ magnétique présent à la surface du Soleil, qui est en quelque sorte déformé, tordu par la rotation de l’étoile, plus rapide à l’équateur et plus lente vers les pôles. En effet, le Soleil n’est pas un corps solide.
Pouvez-vous expliquer?
Je prends toujours l’exemple des avions à élastique : lorsque quelqu’un commence à enrouler l’hélice, au début, elle s’enroule normalement, mais une fois qu’il atteint la limite, l’élastique commence à se tordre. Au minimum solaire, le champ magnétique est comme l’élastique, lisse et peu enchevêtré, au maximum solaire, il est très déformé. Au minimum, de plus, le Soleil ressemble à une aimant barre avec un pôle nord et un pôle sud ; au maximum, c’est un objet très étrange, avec de nombreux pôles susceptibles de donner lieu aux éruptions solaires, en présence des taches solaires. La première chose qui se produit sur le Soleil est que l’énergie cinétique de la rotation l’emporte sur l’énergie magnétique. À l’extérieur de la surface solaire, le jeu porte sur l’énergie cinétique des particules du vent solaire par communiqué à celle du champ magnétique solaire. Le champ magnétique forme de magnifiques arcs – les prominences solaires – qui sont énormes, plus grands que la distance entre la Terre et la Lune. Ce sont des objets gigantesques définis par le champ magnétique et sur lesquels les particules sont contraintes de se déplacer. Ces arcs se déplacent et peuvent entrer en collision avec d’autres arcs de polarité opposée et libérer d’énormes quantités d’énergie stockée dans les champs magnétiques. Nous parlons de centaines de milliers de bombes nucléaires équivalentes. Cela provoque le phénomène que nous appelons une éruption. En anglais, flare. Le premier a été vu par Carrington dans les années 1800. Il était tellement lumineux qu’il pouvait être vu à l’œil nu – ne regardez jamais le Soleil à l’œil nu ! – et plus brillant que le Soleil lui-même.
À gauche le Soleil en février 2021, à droite en octobre 2023. Crédit : ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team
Que se passe-t-il à ce stade?
Cette immense quantité d’énergie libérée donne une impulsion énorme à toutes les particules situées près du Soleil et déclenche ce que l’on appelle une éjection de masse coronale. C’est une gigantesque bulle de matériau – ici aussi champ magnétique et particules – se déplaçant comme une onde dans l’espace interplanétaire, comme une bulle émise sous l’eau qui s’étend et se dirige vers la surface. Cette bulle de 15 millions de kilomètres, soit un dixième de la distance entre la Terre et le Soleil, est un objet invisible mais mesurable et plus grand que le Soleil lui-même. Elle se propage dans l’espace interplanétaire et se déplace où elle le souhaite, droite, sous l’impulsion de l’énergie cinétique qui l’emporte sur l’énergie magnétique. Si elle est émise en direction de la Terre, elle provoque des tempêtes géomagnétiques.
Il convient de mentionner qu’en plus de l’éjection de masse coronale, qui est cette énorme décharge de matériel solaire dans l’espace interplanétaire se produisant avec les éruptions, il peut également y avoir une accélération très rapide des particules, presque à la vitesse de la lumière, se déplaçant le long de la spirale de Parker. C’est la spirale d’Archimède, comme celle de l’eau qui tourne jetée par un arrosoir, et c’est celle déterminée par le vent solaire et la rotation naturelle du Soleil. Dans ce cas, c’est le champ magnétique qui l’emporte sur l’énergie cinétique des particules, les obligeant à tourbillonner le long de la ligne de champ. Dans ce cas, la Terre n’est pas directement touchée mais est affectée par la ligne de champ qui nous relie au Soleil. Il y a divers phénomènes magnétiques, chacun avec ses spécificités, chacun avec ses effets. Ce qui déclenche généralement la tempête géomagnétique, c’est l’éjection de masse coronale. Imaginez-vous plongé en plein milieu d’une gigantesque tempête spatiale. C’est une tempête parce qu’il y a une énorme quantité de particules interagissant avec leur propre champ magnétique et déformant le bouclier magnétique fourni par le champ magnétique terrestre.
Un éclair de plasma dans l’atmosphère du Soleil. Crédit: spaceweather.com / Solar Dynamics Observatory
Les tempêtes géomagnétiques peuvent être plus ou moins violentes ; allant des classes G1 (faibles) aux G5 (extrêmes). Comment se forment les plus puissantes?
L’intensité, comme pour tous les phénomènes naturels, suit grosso modo une loi de puissance. Autrement dit, il y a tellement d’éruptions de faible puissance (justement entre le 13 et le 14 juillet, une de type G1 devrait se produire). Donc plus le nombre est élevé, moins l’intensité de l’événement est grande. La puissance est liée à la fois à l’intensité de l’éruption, c’est-à-dire à la quantité d’énergie magnétique transmise aux particules (à quel point cette bulle interplanétaire est grosse et puissante) et à la manière dont elle touche la Terre, que ce soit de manière directe ou indirecte.
La vitesse du vent solaire influence-t-elle l’intensité des tempêtes solaires?
Oui, mais ce facteur n’influence pas énormément. La majeure partie de l’énergie, à la fois magnétique et cinétique, est précisément liée à la densité, au nombre de particules arrivant à proximité de la Terre. Ces particules transportent leur propre champ magnétique, ce qui crée une confusion du champ magnétique interplanétaire avec les particules émises dans la bulle. Les particules heurtent notre champ magnétique et déclenchent la tempête. La magnétosphère nous protège des particules du vent solaire et même des particules galactiques, extraterrestres, mais pas de toutes. Lorsqu’une tempête géomagnétique survient, ce bouclier dévie de nombreuses particules, mais elle déclenche ensuite toute une série de mécanismes qui injectent principalement des particules aux hautes latitudes. Vous rappellerez-vous que le champ magnétique du dipôle terrestre est un entonnoir, donc les trajectoires des particules venant de l’extérieur du champ géomagnétique, du Soleil, sont plus facilement canalisées vers les pôles qu’à l’équateur magnétique.
Les aurores – qui ne sont rien d’autre que ces particules – sont surtout visibles à de hautes altitudes. Parce que là, le champ magnétique est à la fois plus faible mais surtout dans une configuration facilitant l’entrée des particules. Il s’agit surtout des électrons qui, en entrant dans le champ magnétique, génèrent des courants excitant les couches supérieures de l’atmosphère, azote, <strong