Variation séculaire de l activité solaire et de l activité magnétique

Variation séculaire de l activité solaire et de l activité magnétique Michel Menvielle LATMOS michel.menvielle@latmos.ipsl.fr

Activité solaire et activité magnétique Activité solaire Taches solaires, depuis le 17 ème siècle Paramètres du vent solaire aux limites de la magnétopause Observations in situ à L1, depuis ~50 ans Magnetosphèreionosphère Signatures magnétiques à la surface de la Terre Observatoires magnétiques, depuis ~1870 latitudes aurorales : Indices AE, PC courants, convection Latitudes subaurorales Indices basés sur K basses latitude: anneau de courant, Indices Dst, SYM Pulsations Variation diurne (S R )

Le disque solaire dans le visible Groupe de taches Transit apparent de deux groupes de taches, observées en Europe en 1625 Mission SOHO, ESA/NASA, instrument MDI

Le nombre de taches solaires Minimum de Maunder (mini âge glaciaire) V Série du nombre de taches solaires estimée à partir d observations en divers observatoires La variation du nombre de taches met clairement en évidence une variation à long terme de l activité du Soleil V XIV Série du nombre de taches solaires publiées par l Observatoire royal de Belgique (hppp://www.sidc.be) XIV XXIII

Variation à long terme de la dynamique solaire Analyse stochastique non-linéairede la série du nombre de taches : mise en évidence une augmentation de la durée de vie des taches solaires entre 1910 et 1940 (facteur 1,4). Par ailleurs, le rapport entre la surface maximale des groupes de taches reste stable (Blanteret al., SolarPhysics, 2006). Énergie (bande 25,7-28,4 j.) Analyse spectrale de la série du nombre de taches : évolution à long terme de l énergie d un paquet de 31 lignes spectrales (25,743 to 28,453 jours, rotation synodique du Soleil). L énergie du paquet augmente brutalement au début du 20 ème siècle, précédant de près de 20 ans l augmentation du nombre de tache maximum par cycle (Le Mouel et al., Solar Physics, 2007).

L activité magnétique Zones polaires Zones aurorales Équateur magnétique

Variation à long terme de l activité magnétique Moyennes courantes sur 1 an Moyennes courantes sur 21 ans

Jours calmes et très calmes Aa<20 nt Aa<13 nt Cycle 12 (1879-1888) Cycle 20 (1965-1975) Moyenne courante sur 10 ans du nombre de jour calme Le nombre de jours calmes et de jours très calmes décroît entre ~ 1900 et ~1950 (Ouattara et al., 2010) Histogrammes des valeurs de Aa (0 < Aa< 40 nt)

Champ dipolaire solaire et nombre de jours calmes Minimum du cycle champ dipolaire Lignes de force d un champ solaire dipolaire soumis à la pression interna liée au flux du vent solaire (Pneuman and Kopp, 1971 Vitesse du vent solaire dans le plan de l écliptique en 1976 (cercles) et 1977 (triangles) en fonction de la distance (en degrés) à la lame neutre. L échelle de droite indique l indice aa associé, selon Svalgaard(1977).

Activité magnétique et nombre de taches Moyenne courante sur 21 ans Moyennes courantes sur 1 an Évidence d un accroissement significatif (~+50%) de l activité magnétique et du nombre de tachesentre ~1910 et ~1945

Activité magnétique et nombre de taches Nombre de taches Jours très calmes (Aa 13 nt) Valeur la plus probable de Aa (nt) Années Relation entre la variation séculaire de l activité magnétique et celle du nombre de taches

Forçage solaire de la thermosphère : EUV et activité magnétique Apport d énergie solaire à la thermosphère : chauffage EUV et chauffage auroral Daily Average Power Values for Solar Cycles 21-23 3500 Jul 14 Mar 13 Oct 21 Jun 6 Jul 13 May 10 Jul 14 Mar 31 Nov 6 & 24 1982 1989 1989 1991 1991 1992 2000 2001 2001 3000 2500 L énergie est transportée des zones aurorales vers les basses latitudes : - par la circulation à grande échelle, - par la propagation d ondes. Power (GW) 2000 1500 1000 500 Solar Power Total Power Joule Power Particle Power 0 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 Year

Forçage de la thermosphère par l activité magnétique température et densité thermosphérique Disturbance coefficient Indice régional aλ (unités K) Augmentation de la température thermosphérique en fonction de la distance à la zone aurorale et de l activité magnétique dans le même secteur de longitude Indice régional aλ (nt) Accroissement relatif de la densité thermosphérique moyenne entre 50N et 50S en fonction de l activité magnétique dans le même secteur de longitude

Activité magnétique et température (a) Comparison of decadal averages of the geomagneticaaindex (< aa> 10 ) andearth's surface temperature(< T > 10 ) from1880-1990 (b) Comparisonofsolarcycle minimum values of the geomagnetic aa index( aamin) and <T> 10 from1880-1990. <T> 10 : reconstruction de la température globale proposée par Parker et al. (1994), qui fournit des moyennes décennales de la température de surface pour la période 1881-1990, relativement à la température moyenne pour la période 1951-1980 (Cliver, Boriakoff et Feynman, GRL, 25, 1998)

Les indices géomagnétiques H (enveloppes) AE PC f( H, D, t) Kp J//-Region1 J//-Region2 H et D ( range ) ASY-H am H ( range ) Dst SYM-H H (moyennes pondérées) Journée IPSL SoleilSoleil-Terre Cross-Tail Current Sheet

WINDII experiment onboard UARS Satellite - Michelson interferometer developed by a French Canadian team; - observes the natural airglow at 5 different wavelengths, at the Earth limb; - among them the red line (at 630 nm) and the green line (at 557,7 nm) of atomic oxygen; - thermosphere temperature profiles have been retrieved from the red line data (the red line emission maximizes around 220 km altitude); - data are available between 1992 and 1996 (declining phase of Solar Cycle 22). 9 disturbed days (Ap > 13; max(ap) = 65); 33 quiet days (Ap < 12). WINDII data limb observations apparent temperature along each light path inversion altitude profile of temperature average temperature along a meridian Data processing averaging over the altitude range 180 to 260 km linear interpolation in latitude with a 3 sampling rate thermosphere temperature along each orbit ( θ 40 K) only for quiet days: zonal averaging

Quiet magnetic situations MSIS and DTM-94 account well for WINDII temperatures One day of data LT / Latitudinal variation Seasonal and solar cycle variation 1 D 3 P WINDII O O data 100 K bias present in the observations Scattered plots showing the zonalmean temperatures as given by the two empirical models and as measured by WINDII (left and middle panels). Right panel: scattering between the two empirical models for comparison. Each point corresponds to a given latitude.

200 nt X 200 nt Y 200 nt X X Y 0 Y 0 0 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2003, May 29 - Fredericksburg 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2003, May 29 - Hartland 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2003, May 29 - Memabetsu Grande variabilité en TU, en réponse à la variabilité du vent solaire Variabilité en longitude/tl, du fait de la dissymétrie de la magnetosphère. 200 nt 200 nt 200 nt X X Y X Y 0 0 0 Y 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2003, May 29 - Trelew 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2003, May 29 - Hermanus 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2003, May 29 - Canberra

Indices am : interprétation physique Indices am observés et calculés Experimental estimation K : code charactérisant la densité d énergie magnétique à la station où il est mesuré (Menvielle, 1979). am : estimation du statut énergétique de la magnétosphère sur l intervalle tri-horaire. Equation semi-empirique (Svalgaard, 1978) Flux de lignes de champ reconnectées Pression dynamique du VS 2 BV0 nv0 am = 6,6 q ( f, α ) 21 105 Effet géométrique 1 3 1,157 (1 + 3cos ψ ) 2 2 3 Journée IPSL SoleilSoleil-Terre

Indices aa et am aa = 0.935 * am + 2.349 aa >am durant les périodes très calmes Valeurs moyennes mensuelles