Soleil trompeur et éruptions solaires

«La météorologie solaire accuse un retard de 50 ans sur la météo terrestre», admet Doug Biesecker, physicien et président sortant du Solar Cycle 24 Prediction Panel, un groupe international d’experts devant prévoir l’activité des cycles solaires. «Nous sommes preque incapables de prédire si une violente tempête solaire nous menace avant qu’elle ait été projetée dans l’espace», dit-il. Ce n’est pas ce qu’on aime entendre, en particulier de la part d’un chercheur du centre de prévision de météo spatiale de la NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) à Boulder, au Colorado.

Ce centre où il travaille agit en quelque sorte comme une chaîne télé de météo spatiale pour l’Amérique du Nord. C’est là qu’est effectué le suivi continu des données satellites, des images du Soleil ainsi que du champ magnétique terrestre. Le centre offre aussi un service d’alerte qui annonce l’arrivée d’intempéries spatiales. Cette météo de l’espace, qui n’intéressait autrefois que des astrophysiciens passionnés, est devenue un sujet de discussion essentiel dans les industries technologiques de pointe, pour lesquelles les tempêtes solaires constituent une menace majeure.

«Le nombre d’abonnés à notre service d’alerte spatiale a connu un grand essor», note Doug Biesecker. Il a quadruplé depuis 2009, pour compter à présent 40 000 abonnés. «Depuis une décennie, les compagnies aériennes, les bureaux de télécommunication et les agences spatiales ont pris conscience de l’importance de ces données», observe Paul Charbonneau, titulaire de la Chaire de recherche de l’Université de Montréal en astrophysique solaire. C’est une bonne chose, selon Doug Biesecker: «Plus que jamais dans l’histoire, nous sommes dépendants de technologies vulnérables aux fluctuations solaires.»

En 2008, le Soleil est entré dans sa «saison des tempêtes», une phase de haute activité qui revient en alternance avec des périodes d’accalmie au cours d’un cycle régulier de 11 ans (voir l’illustration à la fin de cet article).

Pendant cette période, l’atmosphère de l’étoile bouillonne, rayonne davantage et crachote de la matière solaire qui, parfois, atteint la Terre. Certains climatologues solaires ont prédit que le cycle que nous connaissons présentement, le cycle 24, serait mémorable et pourrait donner lieu aux «tempêtes du siècle». Mais jusqu’à présent, la catastrophe n’a pas eu lieu. Au contraire, le pic d’activité solaire actuel semble être l’un des plus anémiques depuis plus d’un siècle. «Ce cycle solaire est inhabituel, commente Paul Charbonneau. Le Soleil a pris beaucoup de temps à se réveiller avant de lentement culminer en 2013.» Mais les industries concernées ne devraient pas se réjouir trop vite. «Ce pic semble avoir la particularité de s’étaler sur plusieurs années et se poursuivra peut-être jusqu’en 2015. Une importante tempête solaire peut survenir même à la fin d’une saison active», note Doug Biesecker.

Selon un rapport de l’Académie américaine des sciences, publié en 2009, une «Katrina cosmique» aurait des répercus­sions catastrophiques. Elle pourrait immobiliser les activités humaines en perturbant les télécommunications et en endommageant des satellites. Elle terrasserait le réseau électrique en détraquant les transformateurs et en déclenchant une cascade de conséquences dont les coûts se compareraient à ceux de 12 ouragans Katrina.

Pour en arriver à ces conclusions, les scientifiques ont récupéré les données d’une tempête historique, celle dite de Carrington, l’une des plus puissantes recensées, ayant eu lieu au XIX^e siècle. En cette nuit du dimanche 28 août 1859, d’éclatantes aurores ont illuminé le ciel depuis l’est des États-Unis jusqu’à Cuba. Les services télégraphiques ont été perturbés et des équipements auraient même pris feu. Un événement d’une intensité rare, qui a la probabilité de se reproduire une fois tous les 500 ans.

Si les météorologues ont pu émettre une première alerte à l’ouragan environ 56 heures avant que Katrina touche les côtes de la Louisiane en 2005, les météorologues spatiaux, eux, ne peuvent déclencher une alerte à la tempête solaire que 10 minutes avant qu’elle frappe! «Nous pouvons étudier les caractéristiques des zones solaires et affirmer, par exemple, que tel type de zone donne lieu à des éruptions une fois sur deux, explique Doug Biesecker. Mais nous ne sommes pas en mesure de prédire si ces explosions auront bien lieu ni quand.»

Violence extrême

Les éruptions solaires sont sans conteste les événements les plus violents du Système solaire et libèrent une quantité d’énergie équivalente à celle de milliards de bombes atomiques. «Le champ magnétique solaire peut se comparer à de gigantesques élastiques qui s’entortillent, de manière parfois imprévisible, explique Paul Charbonneau. Ces champs peuvent alors accumuler d’importantes quantités d’énergie qui se libèrent soudainement, en quelques secondes, comme lorsqu’un élastique casse.»

Les éclats de cette méga-explosion cosmique sont projetés dans l’espace. Trois types de déferlantes, voyageant chacune à sa propre vitesse, peuvent alors successivement atteindre la Terre.

D’abord la plus rapide, celle de la lumière. «D’importantes quantités de rayons X et ultraviolets fondent sur nous en huit minutes», décrit Paul Charbonneau. Fort heureusement, l’atmosphère terrestre protège les humains de cette première vague; ces radiations n’atteignent pas le sol. Mais elles peuvent être préoccupantes pour les pilotes d’avion et pour ceux qui voyagent fréquemment, particulièrement dans la région des pôles, où le bouclier atmosphérique est plus faible. Une étude révèle que, lors d’une colère solaire, à l’Halloween 2003, les passagers de vols polaires avaient été exposés, en une seule fois, à l’équivalent de 12% de la dose annuelle tolérable.

En 2012 et en 2013, en période de tempête spatiale, plusieurs compagnies aériennes, dont Air Canada et Delta Airlines, ont détourné leurs vols transpolaires reliant les Amériques à l’Asie, prolongeant ainsi certains trajets de quelques heures. En plus de provoquer des problèmes potentiels de santé, les rayons X et les ultraviolets ionisent la partie supérieure de l’atmosphère et peuvent interférer avec les communications radio. «Normalement, la couche atmosphérique, située entre 50 km et 200 km d’altitude, est facilement traversée par les ondes radio. Mais les rayons X modifient sa conductivité et elle peut devenir temporairement opaque, bloquant toute communication», résume Paul Charbonneau.

Une perte de signal, même temporaire, suffit pour nuire par exemple à des milliers de transactions bancaires et au trafic aérien, en interrompant les services de géolocalisation.

Après l’arrivée de ces rayons, des particules chargées percutent l’atmosphère terrestre. Ayant été rejetées dans l’espace à environ 90% de la vitesse de la lumière, elles peuvent se loger dans des circuits intégrés et endommager définitivement les satellites les moins bien conçus. «Les protons provenant des événements sin­guliers violents traversent les boîtiers en aluminium qui, ordinairement, protègent du rayonnement cosmique les composantes sensibles, dit Éric Gloutnay, ingénieur en génie physique à l’Agence spatiale canadienne. Les particules chargées peuvent forcer le redémarrage d’un circuit, et modifier les mémoires qu’il faut alors reprogrammer. Dans les pires cas, elles peuvent causer une défaillance permanente du circuit.»

En avril 2010, le satellite américain de télécommunications Galaxy 15 a cessé de répondre aux commandes de son opérateur, Intelsat, après avoir essuyé une tempête. Il continuait à envoyer des infor­ma­tions au sol et a dérivé dangereusement hors de son orbite, s’attirant le surnom de «ZombieSat». Sept mois plus tard, après beau­coup de sueurs froides, Intelsat est fi­na­­lement parvenu à redémarrer l’appareil et à le remettre en fonction.

Les météorologues de l’espace prévoyaient un cycle très actif en 2013, mais les tempêtes solaires prévues ne sont pas venues.

La meilleure façon de prévenir de tels incidents commence à la conception des instruments, selon Éric Gloutnay: «Nous choisissons des composantes électroniques pouvant supporter des doses fixes de radiations. Nous en exposons aussi certaines à des faisceaux de protons très énergétiques dans l’accélérateur de particules canadien TRIUMF, à Vancouver.»

Les opérateurs de satellites doivent également être vigilants. «Nous ne pourrons jamais concevoir des appareils parfai­tement immunisés contre tous les événements spatiaux, ajoute Éric Gloutnay. Lors de tempêtes solaires, les opérateurs mettront en veille certains circuits, ils éviteront de mener des missions scientifiques complexes et d’effectuer des opérations particulièrement délicates.»

C’est la troisième vague de l’éruption solaire qui intéresse tout particulièrement les gestionnaires de réseaux électriques. Elle est composée de matière solaire éjectée, voyageant à une vitesse située entre 400 km/s et 2 000 km/s et qui, selon la for­ce de l’explosion, peut voyager entre 6 heu­res et 4 jours avant d’arriver sur nous. «Cette matière éjectée prend la forme d’un plasma, un nuage de particules chargées, qui, comme un chasse-neige – une “gratte” –, ramasse de la matière qui se trouve entre le Soleil et nous», explique Paul Charbonneau.

Ces particules solaires peuvent, en interagissant avec le champ magnétique terrestre, créer des fluctuations électromagnétiques, lesquelles à leur tour induiront des courants imprévus dans les lignes de tension. Ce sont elles qui ont provoqué la panne de courant de janvier 1989 au Québec, plongeant dans le noir la quasi-totalité de la population pendant neuf heures.

Hydro-Québec a tiré plusieurs leçons de cette crise historique et a, depuis, installé plusieurs mécanismes de compensation pour stabiliser les variations de tension et éviter la propagation de courant induite par les orages géomagnétiques. «Grâce à ces nouvelles mesures, le réseau résiste au pic d’activité solaire actuel, précise Gary Sutherland, porte-parole chez Hydro-Québec. En cas de perturbations importantes, Hydro-Québec réduit le transit d’énergie sur son réseau et sur ses interconnexions avec les réseaux voisins, et elle reporte certaines manœu­vres.»

Des rapports européens et américains, rédigés par des comités d’experts et des gens de divers secteurs, recensent en détail les répercussions potentielles. Mais, conclut Doug Biesecker: «Les technologies évoluent très rapidement. Nous ne connaissons probablement pas toutes les conséquences qu’entraînerait une importante éruption solaire.»

Plusieurs scientifiques mènent une croisade pour sensibiliser l’industrie et les gouvernements à une meilleure préparation aux tempêtes solaires et le message commence à faire son chemin. «Les transporteurs aériens sont devenus l’un des groupes de pression les plus importants qui réclament une amélioration de la météo spatiale», dit Paul Charbonneau.

Jusqu’ici, les climatologues spatiaux se sont fiés à l’expérience passée pour prédire l’intensité des cycles solaires. «Les scientifiques comptent les taches solaires. Quatre cents ans de données nous ont appris que, plus il y en a, plus le réservoir d’énergie est important. Donc, plus le cycle risque d’être actif», résume Paul Charbonneau. «Nous sommes entrés dans l’ère des modèles solaires plus sophistiqués qui tentent de décrire la dynamo solaire et sa magnétohydrodynamique», souligne Doug Biesecker. Plusieurs groupes de recherche, dont celui de Paul Charbonneau, arrivent à reproduire, avec des modèles informatiques, la physique solaire et la complexité de ses mouvements magnétiques.

Pour le prochain cycle, le cycle 25, lequel s’amorcera vers 2019, les scientifiques disposeront de nouveaux satellites pointés en direction de notre étoile. Notamment la paire de satellites jumeaux états-uniens STEREO, placés de chaque côté du Soleil, lesquels ont donné aux scientifiques, en 2009, les toutes premières images tridimensionnelles d’explosions solaires.

«L’objectif était de voir une éruption solaire de plus d’un point de vue», explique Jason Byrne, un chercheur postdoctoral à l’Institut d’astronomie d’Honolulu à Hawaii, qui développe des méthodes d’analyse d’images adaptées au double point de vue qu’offre STEREO. «Sans ces satellites, il était impossible de définir la structure tridimensionnelle de ces explosions», précise le chercheur. Ce duo d’instruments, comme une paire d’yeux braquée sur l’astre, aidera aussi les scientifiques à mieux veiller sur la Terre. «À présent, nous avons une idée du mouvement de la masse éjectée par le Soleil et de sa vitesse de déplacement. Nous pouvons savoir si elle prend de l’expansion, si elle frôle la Terre ou la frappe de plein fouet», ajoute Jason Byrne.

Après cette période d’excitation, dans deux ou trois ans, le Soleil retournera à son état d’hibernation, laissant aux scientifiques et aux manitous de la gestion de risque le temps de souffler et de se préparer à la prochaine grosse tempête.