Effets des rayons cosmiques sur l'environnement terrestre

Les rayons cosmiques sont considérés comme un lien reliant l'activité solaire aux processus atmosphériques. Les types les plus intenses de modulations du flux de rayons cosmiques sont brièvement décrits comme source de variabilité du taux de production d'ions dans l'atmosphère. Les ions peuvent affecter les phénomènes atmosphériques à travers des réactions chimiques dépendant de la charge, la formation de gouttelettes et de cristaux de glace dépendant de la charge, et leur influence sur le courant circulant dans le circuit électrique global.

Cependant, ces deux derniers doivent encore être prouvés comme causes des corrélations entre les changements des paramètres météorologiques à grande échelle et les variations du flux de rayons cosmiques.

Introduction

Les rayons cosmiques (CR) sont des particules chargées énergétiquement, pour la plupart d'origine galactique, bien qu'ils puissent également être générés sur le Soleil et dans l'espace interplanétaire. Le composant dominant des CR primaires est constitué de protons, environ 10% sont constitués de noyaux de He et les autres noyaux en représentent moins de 1 %. Les électrons sont un constituant mineur des CR, environ 1 % ou moins. 

L'impact des CR sur l'environnement terrestre est dû à leur capacité à provoquer une ionisation. Plusieurs effets sont devenus importants pour l’homme à l’époque du développement des technologies. Premièrement, ils exercent une influence sur les communications longue distance, qui dépendent de l’état de l’ionosphère. Deuxièmement, ils présentent un risque de rayonnement sur les équipages des vaisseaux spatiaux, lié aux CR galactiques et solaires. Troisièmement, ils sont une source d'influence des particules pénétrantes sur les instruments, les ordinateurs et les batteries solaires à bord des engins spatiaux (par exemple Shea et Smart, 1996). Les mécanismes de ces effets de CR sur l'environnement humain sont, en général, connus ; il est également connu que l’importance de ces impacts en matière de responsabilité d’entreprise augmentera avec le développement des technologies.

Cet article se concentre sur un autre groupe d'impacts des CR sur l'environnement terrestre, qui a toujours existé, mais qui est encore mal compris, à savoir l'impact des CR sur les processus atmosphériques et la météo. Le pouvoir apporté par les CR à la Terre est négligeable en comparaison de la puissance impliquée dans les processus liés aux conditions météorologiques. Cependant, les CR constituent le rayonnement le plus pénétrant dans l'espace et la principale source d'ionisation dans l'atmosphère en dessous d'environ 60 km, sauf dans la couche limite proche du sol en dessous de 3 à 4 km. À des altitudes plus élevées, la principale source d'ions est le rayonnement solaire Lyman alpha, et dans la couche proche du sol, la radioactivité de la Terre devient importante. La modulation du flux CR reflète étroitement l'histoire temporelle de l'activité solaire, c'est pourquoi les CR sont un bon candidat comme médiateur possible dans la relation variabilité solaire-climat.

Ney (1959) fut le premier à attirer l'attention de la communauté scientifique sur ce problème :

« Il faut souligner que la variable météorologique soumise à la plus grande modulation du cycle solaire dans les couches les plus denses de l'atmosphère (c'est-à-dire à une pression supérieure à 1 mb) est l'ionisation atmosphérique produite par les rayons cosmiques. Il semble donc intéressant d'étudier les effets possibles du changement de cette variable en climatologie ». 

À ce jour, de nombreuses corrélations entre les variations du flux de CR et les processus atmosphériques à grande échelle ont été observées, et plusieurs mécanismes d'influence des CR sur les processus atmosphériques ont été proposés (par exemple, Dickinson, 1975 ; Pudovkin et Raspopov, 1992 ; Tinsley et Dean, 1991).

La première partie de cet article donne une description phénoménologique des variations du flux CR en mettant l'accent sur la relation entre les changements apparents du flux CR et les manifestations de l'activité solaire. Dans la deuxième partie, nous discutons de la relation entre l'intensité du CR et la production de paires d'ions. La troisième partie traite des processus dépendants de la charge dans l'atmosphère. La dernière et quatrième partie concerne l'observation des corrélations entre les CR et les processus atmosphériques. Cet article ne prétend pas être un examen complet des influences des CR sur les processus atmosphériques. Au lieu de cela, nous présentons les propriétés CR qui peuvent être importantes pour les processus atmosphériques, et décrivons uniquement les travaux dans lesquels sont proposés des résultats d'observation ou des modèles reliant les changements du taux d'ionisation à ces processus.

Extraits de section

Les rayons cosmiques dans l'environnement terrestre

Le spectre énergétique CR couvre l'énergie E à partir de 1 MeV () à une valeur énorme de(48J). L'intensité des particules primaires à ces énergies ultra-élevées est très faible, ⩽1 particule par :

. Les spectres des protons et des noyaux sont à peu près similaires si l'on utilise l'énergie par nucléon à des fins de comparaison. En dehors de la magnétosphère terrestre, le spectre intégral du CR est plutôt plat en dessous de 200–300 MeV/n et au-dessus de cet intervalle, les flux du CR diminuent à mesure que l'énergie augmente. À des énergies supérieures à ∼10 5.

Flux de rayons cosmiques et production de paires d'ions dans l'atmosphère

Tout travail recherchant des liens entre les CR et les processus se produisant dans l’atmosphère devrait prendre en compte la production d’ions par les CR dans l’atmosphère. Les informations sur la production d'ions proviennent d'observations directes effectuées jusqu'au début des années 1970 (Neher 1967, Neher 1971 ; Anderson, 1973). La mesure du taux d'ionisation dans l'atmosphère a été réalisée avec des chambres d'ionisation soulevées par des ballons. Les chambres avaient des parois en acier de 0,6 mm d'épaisseur et étaient remplies d'air à une pression de 740 mm Hg.

Les processus dépendants de la charge dans l'atmosphère

La variabilité du flux CR provoque des changements dans le taux de production d'ions, affectant ainsi certains processus dans l'atmosphère. La présence d'ions dans l'air peut affecter les phénomènes atmosphériques à travers (1) des réactions chimiques dépendant de la charge, (2) la formation de gouttelettes et de cristaux dépendant de la charge, et (3) leur influence sur le courant circulant dans le circuit électrique global.

Observation de la corrélation entre les CR et les processus atmosphériques

Les changements dans les processus microphysiques initiés par les CR tels que décrits ci-dessus sont plutôt difficiles à observer. Ces microprocessus entraînent des modifications de propriétés environnementales à grande échelle (c'est-à-dire des modifications du champ de rayonnement, de la pression, de la température, des précipitations, de l'activité cyclonique, etc.), qui peuvent être examinées. Au cours des dernières décennies, de nombreuses études corrélant les propriétés de l'environnement à grande échelle avec différentes manifestations de CR ont été réalisées.

Conclusion

Les flux de rayons cosmiques sont fortement modulés par l’activité solaire, tout comme l’ionisation produite par les CR dans l’atmosphère. L'ionisation induite par le CR joue certainement un rôle important dans les processus atmosphériques. De nombreuses observations corroborent la relation entre la modulation temporelle du flux CR et les changements dans les états dynamiques, électriques et chimiques de l'atmosphère, tant pour les variations à long terme que quotidiennes. L'interprétation des corrélations trouvées est une tâche difficile.

Remerciements

Nous sommes reconnaissants envers nos collègues de l'Institut de physique Lebedev, avec lesquels les données sur les variations à long terme des rayons cosmiques dans l'atmosphère ont été obtenues au cours de travaux conjoints sur de nombreuses années. Nous remercions VI Ermakov, AV Gurevich et AA Krivolutsky pour leurs discussions utiles, ainsi que B. Tinsley qui nous a envoyé de brefs commentaires sur son travail. Ce travail a été en partie soutenu par la Fondation russe pour la recherche fondamentale, subventions n°98-02-16420, 99-02-18222 et 99-02-31015.

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