Irradiance et cycle solaire :

L'Irradiance Solaire (I) est définie comme la quantité d'énergie électromagnétique solaire incidente sur une surface par unité de temps et de surface. Dans le cas solaire, l'énergie électromagnétique rayonnée est dans la bande spectrale approximative (0.3–3 m), où les longueurs d'ondes les plus courtes sont la région de l'ultraviolet (U.V.), la région intermédiaire le visible et les longeurs d'onde plus longues, l'infra-rouge proche (I.R.).
La "Constante" Solaire (S) est la valeur intégrée du spectre solaire d'irradiance sur toutes les longueurs d'ondes en W/m², unités SI (Systeme International of units), et rapportée à une Unité Astronomique (U.A.), c'est-à-dire à la distance moyenne Terre-Soleil. La valeur communément admise de S a changé au cours des années et est maintenant étant 1366.0 ± 1,3 W/m² (de Toma, 2004).
L'irradiance Solaire Totale (Total Solar Irradiance -TSI-) est l'irradiance du disque solaire complet à une distance de 1 U.A., intégrée sur toutes les longueurs d'ondes.

Les observations montrent une variabilité de l’irradiance (I) en phase avec le cycle solaire. Cette dernière est expliquée à ~95% par la variabilité de l’activité magnétique de surface (taches et facules). Restent ~5% qui peuvent être expliqués par une variabilité de la forme du soleil (soit une variation temporelle des asphéricités solaires, c_n) via la loi de Stephan où I est une fonction de la surface et de la température de surface effective. Ceci permet de contraindre les variations du rayon solaire et celles de la température effective de surface. La meilleure modélisation de l'irradiance observée donne ΔT=1,2 K et ΔR=10 mas (figure ci-dessous).
L'équation de l'équilibre entre énergie gravitationnnelle et énergie radiée fournit une limite sur l'amplitude des variations du rayon solaire pendant un cycle solaire: 2,2-2,5 km.
Cependant, on ne peut actuellement pas trancher sur une variation de la forme du soleil en phase ou en antiphase avec l’irradiance, suite à une grande sensibilité du modèle aux petites variations de la température de surface.

Figure : Variations temporelles de l’irradiance solaire. Cette Figure montre l’irradiance observée (points IR) des données (Fröhlich et Lean, 1998) actualisées au 01/10/2003; la première composante de la « Singular Spectrum Analysis » (la tendance, RC1) ; le meilleur ajustement aux données quatre modèles sinusoïdaux basés sur la loi de Stéphan, avec différentes paires de (T_eff en K, rayon solaire en marcsec). [Fazel et al., 2005].

Mesure de l'aplatissement et cycle solaire :

Depuis les grecs, le diamètre solaire (2R_Θ) et l'aplatissement solaire (ε) font l’objet de nombreuses mesures. Pour certains, ces observations mettent en évidence des variations à la fois temporelles et latitudinales du rayon. Cependant, même si cette hypothèse est partagée par un grand nombre, il reste un doute sur la source de ces variations. En effet, la plupart des mesures sont effectuées au sol et sont par conséquent dégradées par l’atmosphère terrestre. Or, l’erreur induite sur les données, qui provient majoritairement des turbulences de l’atmosphère mais aussi de l’instrument ou de l’observateur, est de l’ordre des supposées variations. Donc en pratique, il est difficile de savoir si les mesures révèlent un phénomène intrinsèque au Soleil ou seulement les fluctuations de l’atmosphère.
De surcroît, les résultats de l’analyse de ces données ne sont pas pour l’instant cohérents. Alors que certaines mesures montrent une corrélations entre les variations du diamètre et celle de l’activité solaire (le nombre de taches), d’autres mettent en évidence une anti-corrélation.

Jusqu'à présent, les études comparatives des séries temporelles de mesures du diamètre qui ont été faites (Ribes et al. 1991) se limitaient au calcul du coefficient de corrélation entre les différentes séries. Une approche complètement nouvelle et approfondie de l’analyse des données du diamètre solaire a été envisagée (Badache-Damiani, C. et Rozelot, J.P. 2005), fondée sur la statistique (en analogie avec la géostatistique).
Une première étape a consisté à transformer les données brutes et biais associés des séries temporelles, obtenues à l'aide d'un astrolabe par différentes équipes (Brésil, Chili, France, Turquie) entre 1998 et 2003, afin de les replacer sur une même échelle temporelle (Figure ci-dessous). Cette étape a montré que les différentes séries peuvent être considérées comme extraites d'une même population de distribution gaussienne.
Une seconde étape a été une analyse variographique systématique des différentes séries temporelles composites possibles. Il en résulte que les mesures du diamètre solaire obtenues à l'aide d'un astrolabe ne sont pas distributées aléatoirement, mais ont un comportement déterministe qui requière une étude plus poussée, prenant en compte la latitude héliographique de la mesure. Egalement, l'analyse a démontré que les séries temporelles encodent la variabilité des conditions de la haute atmosphère terrestre, plus précisement celle de la stratosphèreque l'on sait être modulée par la luminosité solaire selon un cycle de 11 ans.

Figure : Mesures du semi-diamètre solaire à l'aide d'un astrolabe, en fonction des années, par différentes équipes de recherche. Il n'y a actuellement pas de consensus du point de vue de la phase et de l'amplitude de la variation du semi-diamètre solaire.

De nombreux auteurs suggèrent que la controverse "corrélation ou anticorrelation de la variation du diamètre solaire avec le cycle solaire " pourrait être résolue en mesurant le diamètre solaire depuis l’espace, ce qui supprimerait les effets néfastes de l’atmosphère. Le microsatellite PICARD, dont le lancement est prévu pour 2008, vise à répondre à cette problèmatique. Sa durée de vie de 5 ans devrait permettre au astronomes de disposer de données plus exploitables et qui valideraient un modèle de correction des données obtenues au sol.

Des études récentes (Lefebvre et Kosovichev, 2005) montrent l'influence des zones sous-surfaciques, en particulier celles de la leptocline , concernant la phase des variations de la forme solaire externe observée.

Bibliographie :

Irradiance et Cycle solaire :

Fazel, Z., Rozelot, J-P., Pireaux, S., Lefebvre, S. et Ajabshirizadeh, A., 2005, Solar Phys., submitted

Mesures de l'aplatissement solaire :

Dicke, R.H. et Goldenberg, H.M., 1967, Phys. Rev. L., 18, 313

Lydon, T.J. et Sofia, S., 1996, Phys. Rev. L., 76, 177

Maier, E., Twigg, L. et Sofia, S., 1992, ApJ, 389, 447

Analyse temporelle des données du rayon solaire :

Badache-Damiani, C. et Rozelot, J.P.: 2005, Astron. & Astrophys., to be published

Lefebvre, S., Bertello, L., Ulrich, R.K., Boyden, J.E. et Rozelot, J.P.: 2004, "Solar radius measurements at Mount Wilson, SOHO 14/GONG 2004 Workshop, New Haven, ESA SP-559, p.532-535 and 2005, Ap. J., to be published

Ribes, E., Beardsley, B., Brown, T.M., Kuhn, J.R. et Leister, N.V.: 1991, in "The sun in time", p59-97, C.P. Sonett, MS Giampapa and MS Matthews, ed. The University of Arizona Press, Tucson

De Toma, G., White, O.R., Chapman, G.A. et Walton, S.R.: 2004, Adv. Space Res., 34, 237