CHAPITRE IX

ACTIONS ÉLECTRIQUES ET MAGNÉTIQUES DU SOLEIL

L'activité solaire et le magnétisme terrestre

Les variations périodiques du magnétisme terrestre. — On sait qu’en un lieu donné le champ magnétique

terrestre subit chaque jour de petites variations, affectant à la fois son intensité et sa direction. Etudions par exemple la déclinaison, c’est-à-dire l’angle que fait la direction de l'aiguille aimantée d’une boussole avec la direction du méridien géographique : dans nos régions, le pôle Nord de l'aiguille se déplace de l'Est à l'Ouest de 8 heures à 14 heures, puis revient de l'Ouest à l'Est de 14 heures jusqu’à la tombée de la nuit, reste immobile pendant la nuit, et achève son retour à sa position la plus à l'Est le matin jusqu'à

8 heures. C’est ce qu’on appelle la variation diurne de la déclinaison ; son amplitude totale varie d’une saison

à l’autre : elle atteint en été un maximum d'environ 11 minutes, en hiver un minimum d'environ 2 minutes, et sa moyenne annuelle est d'environ 8 minutes. Cette moyenne annuelle elle-même varie d’une année à l’autre, entre des limites voisines de 7 et de 12 mintuites. Lamont reconnut en 1851 que cette variation est

périodique, et lui attribua une période d'environ ÿ

| 10 ans 1/3 : puis Wolf, de Zurich, reconnut sa concor- dance avec la variation des taches solaires. La figure 42 reproduit les deux courbes donnant d'année en année l’amplitude moyenne de la variation diurne de la

Déclinarson

Wombre de taches

Taches

Variation diurne de la déclinsison

Années FIG. 42

déclinaison et le nombre moyen de taches solaires : on y voit nettement leur parallélisme complet, et en | particulier leur caractère périodique commun, avec dans chaque période une ascension rapide suivie d’une descente lente. Il n’est donc pas douteux qu’i/y a une relation de cause à effet entre l’activité solaire ei les variations périodiques du magnétisme terrestre.

Les orages magnétiques et les aurores polaires. — En

dehors des variations régulières dont nous venons de parler, le champ magnétique terrestre présente quelque-

. fois des variations brusques, ou des séries de variations __ brusques se produisant à intervalles irréguliers, qu’on - appelle des orages magnétiques. Un orage magnétique peut durer plusieurs heures, et quelquefois même

dépasser une journée : les variations du champ y sont … beaucoup plus grandes que les variations périodiques : la déclinaison varie souvent de plus de 1 degré, et l'intensité du champ peut varier de 10 %. Pendant les

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nuits d'orage magnétique, on observe souvent, surtout dans les pays de latitude élevée, mais quelquefois

aussi dans les régions de latitude moyenne comme la.

France, des awrores polaires, c’est-à-dire l'apparition dans le ciel de luminosités de formes très variées, rayons parallèles ou convergents, arcs ou draperies.

Les orages magnétiques et les aurores polaires sont plus nombreux aux époques des maxima de l’activité solaire. La relation entre les orages et les taches est

d'ailleurs plus étroite qu'une simple relation statisti-

que : les orages magnétiques 1nienses Se produisent presque toujours lorsqu'il exisie un groupe important de taches au voisinage du centre du Solal. D'après un relevé fait par Maunder en 1903, la position en longitude héliographique du groupe de taches au début de l'orage est comprise entre 20° à l'Est et 480 à l'Ouest du méridien central, soit dans un intervalle de 680, tel que l'orage commence en moyenne 26 heures après le passage des taches au méridien central. Ces résultats statistiques peuvent s’'interpréter en admettant que chaque tache active émet des rayons dans une direction déterminée, faisant un angle de moins de 34 degrés avec la verticale solaire, et que ces rayons mettent 26 heures à atteindre la Terre. Les résultats de Maunder ont été confirmés plus tard par Cortie, qui a tenu compte dans sa discussion de la latitude héliographique des taches, et par Ricco, qui, ayant tenu

compte dans la statistique d'orages postérieurs à 1903, .

trouve un retard moyen de 40 à 50 heures.

L'importance de l'orage magnétique n’a d’ailleurs aucune relation avec l'étendue du groupe de taches, et certains groupes peuvent fort bien ne produire aucune perturbation de l'aiguille aimantée, soit que les rayons soient émis dans une direction qui n’atteint pas la Terre, soit que les groupes soient réellement inactifs. Il est probable que les perturbations sont

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produites en réalité par les protubérances qui entourent certaines taches ; en tous cas, bien que nous ne sachions pas encore discerner avec certitude les régions actives du Soleil, il n’en est pas moins certain que les orages magnétiques et les aurores polaires sont produits par le passage de telles régions en face de la Terre : c’est ainsi que les statistiques montrent une répétition périodique des orages à 27 jours d'intervalle : cet intervalle, égal à la révolution synodique R du Soleil, correspond au retour de la même région active en face de la Terre. D’après une statistique faite par Deslandres sur les orages de 1926, on trouverait souvent des séries d’orages se répétant à des intervalles de R/24, de sorte que la structure du Soleil comporterait à chaque instant des régions actives, sortes de régions volcaniques à émission particulièrement intense, réparties régulièrement en longitude avec des intervalles de 150 ; on peut noter que Buss a signalé en 1015 que les taches solaires se suivent souvent à un intervalle de 609 en longitude.

Orages magnétiques et éruptions solaires. — Parmi les régions du Soleil les plus actives au point de vue du magnétisme terrestre se trouvent toujours celles qui présentent des éruptions brillantes à l'observation visuelle ou à l’observation spectrohéliographique. On cite toujours à cet égard l'observation classique de Carrington en 1859 : il observa une lueur qui dura cinq minutes, dans un groupe de taches, et quelques heures après se déclencha un violent orage magnétique qui dura plusieurs jours ; des observations analogues furent rapportées par Voung en 1871 et par Trouvelot à Meudon en 1897 : dans ce dernier cas, la perturbation magnétique coïncida avec l’éruption à une minute près.

A l'heure actuelle, les éruptions solaires sont généralement mises en évidence par les spectrohélio-

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grammes pris avec la raie Hé, parce que les plages

‘brillantes y sont exceptionnelles et y sont réellement

caractéristiques d’éruptions. Nous donnons ci-dessous comme exemple le tableau des observations relatives à trois éruptions de 1926; la dernière, observée à Meudon, est celle dont l'aspect est représenté par la Planche XII : les masses d'hydrogène, exceptionnellement brillantes, se sont. développées avec une très

grande rapidité, et ont ensuite fait place à des masses

sombres tombant sur le Soleil avec une vitesse, mesurée au spectro-enregistreur des vitesses, de 130 kilomètres par seconde : ,

Janvier 1926 Février 1926 Octobre 1926 Observateur : Hale Royds d’Azambuja et Grenat Erupiion solaire :

DébEtle nee le24à 19h. 40m. le22à 2h.21m. le 13 à 18 h.15 m. DD PAEesesues : 28 heures 7 b. 1/4 1 h. 1/4 Orage magnélique :

DÉDUbE I re vestes le 26 à 16 h° 30m. le 23 à 16 h. 30 m le 14 à 20 h. Retard sur l’éruption 45 heures 38 houres 31 heures Durée nnesmesesse 13 heures 37 heures 32 heures Aurore polaire :

Date : nuit du..... 26 au 27 23 au 24 15 au 16 Région d'observation Allemagne Etats-Unis : France Norvège , Amérique N.

Australie

Un grand nombre d’orages de ce type ont été observés depuis que la raie Hx est employée régulièrement aux spectrohéliogrammes, et le développement du spectrohélioscope doit permettre de suivre de plus près les détails des éruptions qui les provoquent. Ces éruptions sont toujours assez voisines du centre du Soleil pour que l’on puisse admettre, comme tout à l'heure, que les rayons qui atteignent la Terre sont émis ei faisant avec la verticale solaire un angle inférieur à une trentaine de degrés ; l'orage magnétique commence en moyenne 25 à 30 heures après “éruption solaire, et son maximum se produit en

moyenne 45 heures après celui de l’éruption ; comme « le montrent les exemples que nous avons cités, ces valeurs ne sont que des moyennes entre des nombres individuellement très différents.

Le mécanisme des variations du champ magnétique terrestre. — Nous avons admis dans les paragraphes précédents que les régions actives du Soleil agissaient sur le champ magnétique terrestre par l'émission de rayons se propageant jusqu'à la Terre. Il est évident en effet que les champs perturbateurs de l’ordre du centième de gauss observés dans les orages magnétiques ne peuvent pas être les champs créés directement par la région solaire active, considérée comme un aimant ou un système de courants électriques : si elle créait à la distance où se trouve la Terre un champ d’un centième de gauss, elle créerait à son voisinage dans la chromosphère et la couche renversante des champs formidables, de plusieurs millions de gauss, qui produiraient dans le spectre des bouleversements qui n'existent pas.

C’est en arrivant sur la Terre que les rayons émis par les régions actives doivent provoquer des modifications dans les phénomènes qui créent le champ magnétique terrestre ; il est naturel d'admettre que ces modifications affectent la fraction du champ créé par les courants électriques qui circulent dans la haute atmosphère terrestre ; cette haute atmosphère, certainement très ionisée, doit en effet être assimilée à une couche conductrice, tournant dans le champ magnétique dû à l’aimantation de la masse de la Terre; elle est par conséquent constamment parcourue par des courants électriques, dont l'intensité varie avec sa conductibilité, c’est-à-dire avec son ionisation.

L'existence d’une couche conductrice entourant la Terre à haute altitude est mise en évidence par les

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phénomènes qui accompagnent la propagation des ondes de la télégraphie sans fil, et en particulier des ondes courtes : on est conduit à admettre que ces ondes se réfléchissent sur une couche conductrice, dont l'altitude est de 100 à 200 kilomètres. La pression à cette hauteur doit être de l’ordre de 104 millimètre de mercure, et le libre parcours des ions y est assez grand pour qu’ils puissent atteindre des vitesses. de l’ordre de 100 à 200 kilomètres par seconde

l'hypothèse que ce sont ces déplacements des ions de

la haute atmosphère qui produisent les orages magnétiques se trouve confirmée par le fait que l’enregistrement d’un même orage à différentes stations assez éloignées semble indiquer que la perturbation initiale se propage à la surface de la Terre avec une vitesse de cet ordre.

Les variations intenses de l’ionisation qui produisent les orages magnétiques s’accompagnent nécessairement de phénomènes de Jluminescence, et la relation entre les orages et les aurores polaires se trouve ainsi naturellement expliquée. La hauteur de ces aurores a pu être déterminée directement par Stôrmer, par les procédés trigonométriques classiques, en photographiant simultanément les rayons auroraux à plusieurs stations différentes : la base de ces rayons se trouve à une hauteur comprise généralement entre 90 et 130 kilomètres, résultat qui concorde parfaitement avec la valeur que nous avons indiquée tout à l'heure pour l'altitude de la couche conductrice.

1 ne semble donc pas douteux que les variations du magnétisme terrestre sont produites par les modi fications de l’ionisation de la haute atmosphère terrestre due à l'action de rayonnements émis par les parties actives du Soleil. Les variations d'intensité de ces rayonnements suivent le cycle général de l’activité solaire, et produisent les variations périodiques du champ

terrestre. D'autre part, leur émission est extraordinairement renforcée dans certains groupes de taches, et surtout aux points où se produit une éruption solaire ; lorsque les rayons émis par ces régions exceptionnellement actives atteignent la Terre, ils provoquent une augmentation considérable de l’ionisation, qui produit les orages magnétiques et s’accom- - pagne des phénomènes lumineux constituant les aurores polaires,

Le rayonnement électronique et le champ magnétique du Soleil

Les rayons corpusculaires émis par le Soleil. —

- Quelle est la nature du rayonnement que nous avons

considéré dans les paragraphes précédents ? L/ionisation de la haute atmosphère est certainement provoquée et entretenue de façon permanente par les rayons ultra-violets émis par le Soleil : nous avons vu que ces rayons sont absorbés par les couches élevées de l’atmosphère, où ils jouent un rôle fondamental dans la production et dans l’équilibre chimique de la couche d’ozone (page 39) ; ils y produisent certainement en même temps une ionisation intense par effet photo-électrique. Les variations diurnes, annuelles et undécennales du champ magnétique terrestre sont sans doute produites par les variations d’ionisation qui résultent des différences d’illumination entre le jour et la nuit ou entre l'été et l'hiver et des différences dans le rayonnement ultra-violet du Soleil d’une année à l’autre ; on peut espérer que la preuve en sera apportée un jour par l'étude des variations de la couche d’ozone et des variations du rayonnement ultra-violet dont nous avons parlé aux pages 32 et 30.

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Mais il est invraisemblable que les parties actives du Soleil dont l’action produit les orages magnétiques et les aurores polaires émettent un excès suffisant de radiations ultra-violettes pour expliquer les effets : considérables observés ; d’ailleurs, si ces effets étaient provoqués par des radiations électromagnétiques, dont la vitesse de propagation est toujours égale à celle de la lumière, les phénomènes liés à une éruption se produiraient à l'instant même où l’on aperçoit cette éruption. L'existence d’un retard de quelques dizaines d'heures impose donc que les rayons agissants sont des rayons corpusculaires, se propageant avec une vitesse relativement taible. Si l’on admet que Ja valeur moyenne du retard est de 45 heures, on trouve une vitesse moyenne des corpuscules de 930 kilomètres par seconde : une telle vitesse est du même ordre de grandeur que celles que l’on observe dans les protubérances, et l’on peut imaginer que les corpuscules lancés par les régions actives sont les atomes d’hydrogène, d’hélium et de calcium ionisé qui constituent les protubérances. Dans la théorie de Milne de la pression de radiation sélective (page 138), on trouve en effet, en développant les calculs, que des ions Ca+ peuvent être chassés par cette pression hors de l’atmosphère solaire, et que la vitesse avec laquelle ils s’en échappent doit être de 1600 kilomètres par seconde : à cette vitesse correspondrait un retard de 26 heures, qui est d’un ordre de grandeur acceptable.

Rayons cathodiques et aurores polaires. — /étude des aurores polaires a conduit au contraire à admettre | que les rayons corpusculaires émis par les régions actives du Soleil sont constitués par des électrons chargés négativement, c’est-à-dire qu'ils sont identiques aux rayons cathodiques que nous observons dans nos tubes à vide. On sait que des corpuscules

BRUHAT 15 r. »

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‘chargés électriquement, en mouvement dans un champ \ magnétique, sont soumis de la part de ce champ à des W forces qui courbent leurs trajectoires, et que, si les champ est assez intense, ces trajectoires s’enroulent en hélice autour de ses lignes de force, de sorte que les rayons s'accumulent dans les régions où le champ

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est le plus intense et où ses lignes de force se resserrent. M Le rayon ? du cylindre sur lequel est tracé l’hélice est donné, en fonction du champ H, de la masse m4 et de la charge e des corpuscules, et de la composante v de leur vitesse normale au champ, par la relation :

Birkeland a montré expérimentalement en I9OIM que des rayons cathodiques bombardant un aimants sphérique prenaient des formes tout à fait analogues à celles des rayons auroraux, et Stôrmer a montré, dans une série de travaux publiés de 1907 à I9II, que le calcul des trajectoires dans le champ magnétique terrestre de rayons cathodiques provenant du Soleil permettait bien de rendre compte de l’ensemble des” phénomènes observés. En arrivant au voisinage dem

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la Terre, les rayons sont déviés par le champ terrestre, et suivent des trajectoires courbes (/1g8. 43) telles qu'ils peuvent venir frapper la Terre surtout dans l'hémisphère, opposé au Soleil, qui est plongé dans la nuit ; ils s’y concentrent dans deux zones des régions arctiques et antarctiques centrées sur l'axe magnétique de la Terre et correspondant bien en latitude aux régions où l’on observe le plus grand nombre d’aurores polaires.

Chacun des rayons auroraux est vraisemblablement ,

formé par un étroit pinceau de corpuscules, s’enroulant autour d’une ligne de force du champ magnétique

/ or

terrestre (fig. 44). Les mesures de Stôrmer, donnant la distance des rayons auroraux et leur largeur apparente, permettent de calculer le rayon + du cylindre d’enroulement ; en admettant qu’ils sont formés d'électrons, caractérisés par la valeur 1,77 du rapport e/m, on peut alors calculer par la formule donnée plus haut la vitesse v des rayons. Stôrmer a ainsi trouvé que la plupart des aurores polaires sont produites par des rayons cathodiques de vitesse Y — 120.000 Rtlomètres par seconde.

Ces calculs semblent exclure la possibilité que les aurores soient produites par des ions positifs : de tels ions sont caractérisés par une valeur du rapport e/m. au moins 1.800 fois plus faible que celle qui correspond aux électrons, et il faudrait, pour retrouver les rayons p

observés, leur attribuer des vitesses inférieures à 70 km/sec, vitesses qui sont tout à fait inadmissibles.