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Posté par Michel le Dimanche 19/09/2010 à 00:00
La longueur du jour sous influence des rayons cosmiques et du soleil
Les jours ne durent pas 24h00... Une équipe franco-russe de géophysiciens et de mathématiciens appliqués conduite par Jean-Louis Le Mouël, physicien à l'Institut de Physique du Globe de Paris (INSU-CNRS, Paris Diderot), vient d'identifier une corrélation forte entre certaines variations de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...) et l'évolution décennale à multi-décennale de l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) solaire. Une étude parue récemment dans la revue Geophysical Research Letters de l'American Geophysical Union.


L'amplitude de la variation semi-annuelle de la longueur du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...) (en bleu) est anti-corrélée au nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de taches solaires
(avec un glissement d'un an) (rouge en haut), et corrélées au flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) de rayons cosmiques galactiques (rouge en bas).

La longueur du jour (en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...) 86 400 secondes) n'est pas tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait constante et varie de quelques millisecondes ou fractions de millisecondes dans une vaste gamme de périodes allant de quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) (et moins) à plusieurs siècles (et plus à l'échelle des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) géologiques).

Les variations dont la pseudo-période est de quelques années à quelques dizaines d'années sont en général attribuées à des échanges de moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations. Comme le moment angulaire dépend du choix de l'origine (ainsi que...) entre le manteau (quasi-rigide) et la partie fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...) du noyau terrestre, là où est généré le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...). Les variations saisonnières, avec des périodes de 6 mois, un an et deux ans notamment, sont presque entièrement dues à des variations de la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) atmosphérique, plus précisément les vents zonaux, c'est-à-dire les vents qui circulent en suivant les parallèles géographiques.

Quelques auteurs, notamment Bourget et al (1992), avaient commencé à mettre en évidence des corrélations entre l'activité solaire et la longueur du jour, et plus récemment, Abarca el Rio et al (2003) et Winkelnkemper (2008) dans sa thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il évoque.) ont remarqué que l'amplitude de la composante semi-annuelle (de période 6 mois) de la longueur du jour et du moment angulaire de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) étaient anti-corrélées avec les variations de même période de la "constante solaire (La constante solaire exprime la quantité d'énergie solaire (en fait une puissance d'éclairage) que recevrait une surface de 1m² située à une distance de 1 unité astronomique (distance moyenne...)".

Quel pourrait-donc être le lien entre certaines variations de la longueur du jour, les vents zonaux et l'activité solaire?
Pour tenter de répondre à cette question, Le Mouël et ses collègues ont analysé une série de 48 années (de 1962 à 2009) de mesures journalières de la longueur du jour, fournies par le service international de la rotation de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) et des systèmes de référence situé à l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des cartes pour la...). Ils en ont extrait la composante de période 6 mois et ont mis en évidence de fortes variations de l'amplitude de cette composante, de l'ordre de 30%, qu'ils ont comparé d'une part au nombre de taches solaires (le nombre de Wolf, un indicateur traditionnel de l'activité solaire mesuré depuis plusieurs siècles) et d'autre part au flux de rayon cosmiques galactiques.

Les auteurs mettent en évidence une bonne corrélation entre ces trois paramètres, plus précisément (Figure), ce sont les évolutions des rayons cosmiques et de l'amplitude de la composante semi-annuelle de la longueur du jour qui sont corrélées (coefficient de corrélation de l'ordre de 0,7), et qui sont en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :). La corrélation est améliorée quand on retire à la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des...) de la longueur du jour une tendance linéaire, qui pourrait être liée à des phénomènes se produisant dans le noyau. Il est établi par ailleurs que les variations des rayons cosmiques sont en opposition de phase avec les taches solaires et décalées d'environ un an (ceci est attribué au mécanisme de modulation des rayons cosmiques galactiques par le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil, on parle généralement de vent stellaire.) et son champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique).

Comment la vitesse de rotation de la Terre peut-elle donc être sensible à la modulation des rayons cosmiques ?

La réponse est dans le système des vents. Ceux qui contribuent le plus aux variations saisonnières du moment angulaire sont les vents de relativement basse altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique...), en dessous de 30km. Prise en moyenne sur une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), la différence entre le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) reçu du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) et celui qui est réémis par la Terre vers l'extérieur dans les grandes longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) (infra-rouge) est positif vers l'équateur et négatif au delà de 40° de latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de l'équateur.). Ce gradient en latitude doit être équilibré par un flux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de l'équateur vers les pôles: ce transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de...) est assuré par les mouvements méridionaux (c'est-à-dire le long des méridiens géographiques) de l'atmosphère, moyennés en longitude (La longitude est une valeur angulaire, expression du positionnement est-ouest d'un point sur Terre (ou sur une autre planète).), et les tourbillons. Les vents zonaux sont la conséquence de ce transport à cause de la conservation du moment angulaire: en allant vers les pôles on se rapproche de l'axe de rotation de la Terre et les changements de cette distance doivent être compensés par des changements de la vitesse. Les variations saisonnières d'insolation entraînent des variations de même période du transport le long des méridiens et, partant de là, de la moyenne des vents zonaux.

La variation semi-annuelle de la longueur du jour est donc reliée à un trait fondamental du climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la...): la distribution en latitude et le transport de l'énergie et de la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs qui se...) dans l'atmosphère. On pense souvent que les variations solaires sont trop faibles pour pouvoir influencer le climat dans la troposphère (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres, selon la latitude et la saison. Elle est plus épaisse à l'équateur qu'aux...): elles sont de l'ordre de 1 pour 1000 pour l'irradiance totale (c'est à dire sommée sur toutes les longueurs d'onde). Mais en fait, l'activité solaire peut modifier l'équilibre de la troposphère de manière indirecte. Ainsi, les rayons cosmiques galactiques sont des particules chargées, influencées par l'activité solaire, qui en entrant dans la partie de l'atmosphère où la teneur en vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) est suffisante peuvent déclencher ou modifier la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou...) des gouttes d'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ou des particules de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) (un peu comme dans la chambre de Wilson des physiciens des particules). Ceci affecte la micro-physique des nuages, domaine très complexe et encore mal compris. Et quand la couverture nuageuse change, les quantités d'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie...) incidente réfléchie, absorbée et transmise vers le sol changent de conserve. Une corrélation entre rayon cosmiques et couverture nuageuse a été observée et une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) proposée par Svensmark et Friis-Christensen dès les années 90. Une expérience (CLOUD) est en cours au CERN pour en tester la validité: elle devrait très bientôt fournir ses premiers résultats.

Il existe une autre voie par laquelle les nuages peuvent être affectés: l'atmosphère est en effet pénétrée par un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un...) vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) de quelques nano-Ampère par mètre carré (Le mètre carré (symbole m²) est l'unité d'aire du système international.), qui fluctue au gré des courants ionosphériques et donc de l'activité solaire. Ces courants verticaux chargent électriquement les nuages et, là encore, modifient leur état micro-physique. Les deux mécanismes peuvent d'ailleurs co-exister. Ce qui les caractérise, c'est que les variations induites par celles de l'activité solaire se mesurent en dizaines de pour cent et non en partie par millier. C'est là que se niche l'importante amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) du phénomène.

Ainsi, la Terre (et plus précisément le manteau terrestre) dont la rotation est accélérée ou freinée au gré des fluctuations des rayons cosmiques sous l'influence de l'activité solaire par l'intermédiaire des vents zonaux, fournit un magnifique dispositif d'intégration des variations du moment angulaire de l'atmosphère et de la circulation des vents zonaux qu'il est difficile de mesurer directement.

Les auteurs, à la suite d'une série de publications indépendantes allant toutes dans le même sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi de son...) et de travaux en cours, soulignent l'importance de la modulation de certains paramètres climatiques par l'activité solaire. Si le soleil peut ainsi influencer les vents zonaux, il peut selon les auteurs affecter d'autres facteurs du climat global, comme les oscillations océaniques. La chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) causale va donc du Soleil aux vents et au climat, par le biais des rayons cosmiques, des courants atmosphériques et des nuages. C'est ce qui conduit l'équipe à penser que le rôle du Soleil dans les variations climatiques des dernières décennies a pu être notablement sous-évalué.


Référence:
Solar forcing (En mathématiques, et plus précisément en logique mathématique, le forcing est une technique inventée par Paul Cohen pour prouver des résultats de...) of the semi?annual variation of length?of?day, Le Mouël, J.L., Blanter, E., Shnirman, M., and Courtillot V. 2010, Geophys. Res. Lett, 37, L15307, doi:10.1029/2010GL043185.


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Source: CNRS / INSU
Illustration: © Le Mouël et al. GRL 2010