Activité solaire et climat du passé

Le rayonnement solaire total est très difficile à mesurer et on se sait le faire correctement que depuis 20 ans grâce aux appareils embarqués par des sondes spatiales. Ces mesures ne permettent de connaître que les deux derniers cycles solaires de onze ans. Au delà, il faut extrapoler.

Pour cela, on utilise le fait que le vent solaire influence la quantité de carbone 14 dans l'atmosphère. En effet, une forte activité solaire (vent fort) entraîne une baisse du rayonnement cosmique qui atteint notre planète. Et comme le rayonnement cosmique conditionne la formation de carbone 14 atmosphérique, en connaissant la quantité de carbone 14 du passé, notamment dans les cernes des arbres d'âge connu, on peut estimer l'activité solaire passée.

On peut avoir accès aux variations de l'activité solaire en compilant les observations de taches solaires faites quotidiennement depuis le début du XVII^ème siècle par Galilée et ses successeurs.

Source - © 2003 Sunspot Index Data Center, Bruxelles

Figure 1. Cycle de variation du nombre de taches solaires de 1700 à nos jours

Source - © 2003 Observatoire de Paris — DASOP/LPSH

Figure 2. Image d'une tache solaire

Noter l'ombre et la pénombre. La pénombre correspond à des taches solaires, zones où le champ magnétique solaire est anormalement fort.

Pendant la période pré-industrielle, le Petit Âge glaciaire correspond à un refroidissement de l'Europe au XVII^ème et XVIII^ème siècles. On a observé une corrélation entre un minimum de l'activité solaire (minimum de Maunder (1645-1715)) et ce refroidissement durant cette même période.

Source - © 2003 Planétarium de Montréal, Canada Figure 3. Image du Soleil

Source - © 1998 Hoyt and Schatten, modifié Figure 4. Nombre de taches solaires de 1630 à 1725

On estime ainsi qu'au minimum de Maunder (1645-1715), la baisse du rayonnement solaire total (plus exactement la luminosité totale) est de 0,2 à 0,3%. Mais la concomitance de ces évènements n'est pas la preuve d'un lien de cause à effet....

Cherchons à mettre en relation les variations climatiques de la période industrielle avec les variations connues d'activité solaire (cycle de onze ans):

Pour les 150 dernières années, 4 types de périodes différentes d'activité solaire ont été enregistré:

Première phase: pendant la première phase (cycles solaires stables), l'augmentation du CO₂ anthropique n'a pas commencé significativement; pendant cette même période, les relevés montrent que la température moyenne est stable, ce qui semble normal.

Deuxième phase: pendant la deuxième phase, activité solaire, CO₂ et température augmentent. Qui est responsable de l'augmentation de température: soleil ou CO₂? On ne peut pas le dire.

Troisième phase: pendant la troisième phase, l'activité solaire décroît, le CO₂ augmente, et la température est stable, ce qui laisserait supposer que l'effet du CO₂ est de même ampleur que l'effet du soleil.

Quatrième phase: depuis 1975, CO₂, activité solaire et température augmentent.

Source - © 2003 Thomas Ulich, Sodankylä Geophysical Observatory, Université d'Oulu, Finlande Figure 5. Variation de la durée du cycle solaire (ou cycle de Schwabe) depuis 1860

Source - © 1966 Etheridge et al (J.G.R., 1996), modifié Figure 6. Courbe d'évolution du CO2 depuis 1850 à partir de l'analyse des carottes de glace antarctiques

Source - © 2003 Jean-Marc Barnola, Laboratoire CNRS de Glaciologie, Université Jospeh Fourier, Grenoble Figure 7. Courbes d'évolution de la température globale depuis 1860 (hémisphère nord (HN) et sud (HS))

Les résultats ne sont pas probants, et surtout ambigus. En particulier, quand on prend une donnée quelconque (température, précipitations, ...) et qu'on cherche une périodicité, celle de onze ans ne se trouve pas....

Tout cela laisse supposer que l'activité solaire joue un rôle dans l'évolution de la température, mais de façon complexe. Si la relation entre activité solaire et température était simple et directe, la température moyenne du globe varierait avec une fréquence de 11 ans, ce qui n'est pas le cas.

Judith Lean et David Rind (Science, 292, 234, 2001) ont montré qu'une augmentation du rayonnement solaire pendant le cycle de onze ans se traduit par une augmentation du bilan radiatif de la Terre de 0,2 W/m², à comparer aux 0,35 W/m² par décennie dus aux effets anthropiques. Aujourd'hui, les variations solaires passent donc au second plan derrière l'effet des combustibles fossiles. Mais pour les oscillations climatiques de la période pré-industrielle, ces variations ont au moins partiellement guidé les hauts et les bas du climat.

Les fluctuations cycliques du rayonnement solaire s'accompagnent d'un effet plus indirect sur le climat. Ce rayonnement solaire, dont le spectre est centré sur le visible (image), comporte une partie ultraviolette. Les variations d'intensité du rayonnement ultraviolet s'accompagne de modifications de l'ozone stratosphérique.

Cette molécule étant par ailleurs une molécule sensible au rayonnement infrarouge terrestre (image spectre), une diminution de la quantité d'ozone stratosphérique s'accompagne d'une refroidissement de la stratosphère.

Voir les articles : Propriétés radiatives des Gaz à effet de serre, Effet de serre, et le cours Bilan radiatif.

Un des mécanismes possible qui pourrait lier Soleil et climat est le suivant: pour qu'il y ait des nuages, il faut que de la vapeur d'eau se condense. Pour qu'elle se condense, il faut qu'il fasse froid en altitude, mais cela ne suffit pas toujours. En effet, de la vapeur peut rester vapeur de façon métastable à une température inférieure à sa température de changement de phase. On parle de survaporisation. Et quand de la vapeur est métastable à basse température, pour que cette eau " sur-gazeuse " se condense, il faut un noyau de condensation. Le rayonnement cosmique très énergétique peut faire office de noyau.

Il est donc possible, bien que non démontré, qu'une augmentation du rayonnement cosmique favorise la formation des nuages, donc fasse varier le climat (augmentation de la pluviométrie, baisse de température ...), sans que l'effet de serre intervienne!

Or, les périodes de forte activité solaire s'accompagnent d'un vent solaire plus intense. Ce vent dévierait le rayonnement cosmique (particules très énergétiques venant entre autres de supernovæ lointaines). Et c'est ce rayonnement cosmique qui influencerait la nébulosité.

Si cette relation existe, elle est ténue, et plus complexe que "soleil actif = peu de nuages; soleil calme = beaucoup de nuages", car si c'était aussi simple que cela, l'examen des statistiques de nébulosité montrerait directement une périodicité de 11 ans.

Ainsi, les variations solaires, qui influencent le rayonnement cosmique, pourraient avoir une conséquence sur la formation de noyaux de condensation de nuages, et donc sur la nébulosité globale. Une forte activité solaire serait associée à un rayonnement cosmique incident plus faible et donc à une nébulosité plus faible. Cette faible nébulosité permet alors un réchauffement climatique.

Cette idée est donc une piste intéressante de recherche et le mécanisme physique reste encore très mal quantifié.