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 du jour et l'évolution décennale à multi-décennale de l'activité solaire. Une étude parue récemment dans la revue Geophysical Research Letters de l'American Geophysical Union.

Image 11. L'amplitude de la variation semi-annuelle de la longueur du jour (en bleu) est anti-corrélée au nombre de taches solaires (avec un glissement d'un an) (rouge en haut), et corrélées au flux de rayons cosmiques galactiques (rouge en bas). © Le Mouël et al. GRL 2010. La longueur du jour (en moyenne 86 400 secondes) n'est pas tout à fait constante et varie de quelques millisecondes ou fractions de millisecondes dans une vaste gamme de périodes allant de quelques mois (et moins) à plusieurs siècles (et plus à l'échelle des temps 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 entre le manteau (quasi-rigide) et la partie fluide du noyau terrestre, là où est généré le champ magnétique. 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 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 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 étaient anti-corrélées avec les variations de même période de la « constante solaire ».

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 et des systèmes de référence situé à l'Observatoire de Paris. 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. La corrélation est améliorée quand on retire à la courbe 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 et son champ 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, en dessous de 30km. Prise en moyenne sur une année, la différence entre le rayonnement reçu du Soleil et celui qui est réémis par la Terre vers l'extérieur dans les grandes longueur d'onde (infra-rouge) est positif vers l'équateur et négatif au delà de 40° de latitude. Ce gradient en latitude doit être équilibré par un flux d'énergie de l'équateur vers les pôles : ce transport est assuré par les mouvements méridionaux (c'est-à-dire le long des méridiens géographiques) de l'atmosphère, moyennés en longitude, 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 : la distribution en latitude et le transport de l'énergie et de la quantité de mouvement dans l'atmosphère. On pense souvent que les variations solaires sont trop faibles pour pouvoir influencer le climat dans la troposphère : 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 est suffisante peuvent déclencher ou modifier la condensation des gouttes d'eau liquide ou des particules de glace (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 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 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 vertical de quelques nano-Ampère par mètre carré, 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 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 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 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.

Source(s)
Solar forcing 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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