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Les années du soleil calme

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Des astronomes étudient une Image agrandie d'une zone du soleil. L'image, sur l'écran, a été reflétée par une série de miroirs sur un télescope géant.
© USIS

Actuellement, dans le monde entier, les savants étudient les résultats d'un vaste programme de recherches internationales sur l'activité solaire et l'influence qu'elle exerce sur la Terre. Ici, deux géophysiciens soviétiques expliquent comment, en 1964-65, le monde est devenu un vaste laboratoire où des savants de 70 pays ont conjoint leurs efforts pour étendre leurs connaissances des relations Soleil-Terre.

Nicolai Pouchkov et Boris SiIkine

Pour le profane, l'expression « Années du soleil calme » peut avoir une résonance, évoquer quelque ancien calendrier d'Orient ou peut-être une poétique figure de style. Or, il s'agit du titre, exprimé dans un langage strictement scientifique, d'un vaste projet dont la mise en oeuvre s'est récemment terminée et qui a été largement diffusé.

Depuis la plus haute antiquité, les hommes ont toujours considéré le soleil comme la source de la vie et le culte du soleil s'est prolongé, en bien des pays, jusqu'à ce que l'homme ait appris à chercher l'explication rationnelle des phénomènes naturels. Bien des divinités ont été considérées comme des incarnations du soleil, notamment le dieu soleil Ra de l'Egypte ancienne ; Helios, identifié à Apollon, adoré dans la Grèce antique et à Rome ; le joyeux Yarilo des anciens Slaves, dieu de toutes les forces de vie contenues dans la nature.

Il a fallu des siècles pour que les hommes apprissent à fonder leurs connaissances sur les faits et non sur la foi et c'est seulement au cours de la Renaissance, en Europe, que l'expérimentation scientifique a vraiment commencé dans différents domaines. On peut dire qu'en 1609, Galileo Galilei, a redécouvert les cieux lorsqu'il a pour la première fois pointé son télescope sur la lune. 

Trois siècles et demi ont passé depuis lors et l'on peut se poser la question suivante : qu'avons-nous appris du soleil pendant tout ce temps?

Nous avons appris d'abord que le soleil n'est pas immuable et qu'il connaît des périodes de plus ou moins grande activité. Des taches, déjà signalées dans l'antiquité et observées par Galilée, apparaissent à sa surface à intervalles réguliers, leur nombre augmentant pendant une période de trois ou quatre ans, après quoi elles disparaissent graduellement, jusqu'à ce que l'activité solaire tombe au minimum et que cet astre connaisse une tranquillité relative. Cette période de calme dure deux ou trois ans et l'activité reprend alors et recommence à croître. Le cycle entier, d'un maximum à l'autre, est d'une durée légèrement supérieure à onze ans. Il se produit d'autres phénomènes cycliques que les taches solaires, par exemple les facules, régions brillantes qui apparaissent sur la photosphère, les éruptions de la chronosphère et les protubérances, ou langues de flamme qui jaillissent à des centaines de milliers de kilomètres d'altitude au-dessus de la surface du soleil. 

Ces divers phénomènes sont importants et donc d'un haut intérêt pour les savants et il ne s'agit pas là de l'intérêt purement théorique de l'homme de science à la recherche d'une nouvelle hypothèse. Ce n'est pas non plus parce que le soleil est l'étoile la plus proche de nous et la seule qu'il soit possible d'observer directement, car elle n'est qu'à 150 millions de kilomètres alors que les moins éloignées des autres étoiles sont à une distance des centaines de milliers de fois plus grande. L'influence continue et variée que le soleil exerce sur la terre qui explique cet intérêt, beaucoup plus que les progrès que de telles observations peuvent faire réaliser à l'astronomie stellaire.

Chacun connaît les Interférences qui se produisent souvent dans les émissions de radio. Tout à coup, le poste qu'on entend ordinairement si bien commence à avoir du fading et une autre station, lointaine et parfois impossible à identifier, se substitue à lui. Ce n'est pas bien grave si l'on écoutait un programme de musique, mais cela peut devenir tragique quand c'est un radiophare qui disparait ainsi, car ces perturbations de l'éther peuvent causer la perte de navires et d'avions. Ou encore, pour prendre un autre exemple, l'aiguille de la boussole, à laquelle on se fie d'ordinaire aveuglément, peut brusquement s'écarter du nord magnétique et il est facile d'imaginer les conséquences qui peuvent en résulter.

Dans l'un et l'autre cas, c'est le soleil qui est le coupable.

Des milliers d'hommes de science à l'ouvrage

L'activité solaire et son influence sur le globe terrestre doivent donc faire l'objet d'observations patientes. Il nous faut en savoir davantage sur ces phénomènes très divers et apprendre à nous adapter, puisque nous ne pouvons agir sur elle, à l'activité solaire qui vient perturber de manière si directe notre existence.

La récente Année géophysique internationale (AGI) fournit un bon exemple de telles observations. Dans le cadre d'un programme dont l'application s'est poursuivie entre 1957 et 1959, on a recueilli un grand nombre d'informations précieuses sur les divers phénomènes géophysiques et sur la nature des relations terre-soleil. Cela nous a permis de mieux connaître l'environnement de notre planète.

Mais pour que cette masse de renseignements acquière tout son prix, il importe d'en vérifier l'exactitude par des comparaisons. L'AGI s'est trouvée coïncider avec une période de très grande activité solaire. Pour aboutir à des conclusions définitives, il nous faut donc également observer le soleil dans une phase moins troublée de son cycle.

Nous ne savons pas encore pourquoi l'activité solaire varie, mais les savants ont appris à prévoir très exactement ces changements sur la base du cycle de onze ans. La période 1957-1959 s'est caractérisée par une activité solaire maximale et ils ont pu prédire une accalmie pour 1964-1965.

D'où l'idée des Années internationales du soleil calme, ou AISC. Elle a été lancée, en 1960, par quelques savants soviétiques et elle a reçu l'appui immédiat de géophysiciens de nombreux pays, réunis à la Conférence de géophysique d'Helsinki. Il était apparu assez clairement que les phénomènes physique résultant de l'activité solaire sont d'une telle ampleur qu'il est indispensable de les étudier à l'échelle internationale.

Si le chimiste ou l'historien doit se tenir au courant des travaux de ses collègues étrangers, ne serait-ce que pour éviter les doubles emplois, ou pour faire jaillir la lumière de la discussion, c'est deux fois plus important encore pour le géophysicien dont l'étude porte sur la terre dans sa totalité. Pour lui, la normalisation des expériences, la coordination des observations et la comparaison des données revêtent une importance exceptionnelle et fondamentale ; à ce prix seulement, il peut espérer découvrir le secret des phénomènes de portée universelle.

Pour mettre en le programme AISC, les hommes de science durent faire de notre planète un vaste laboratoire. Des milliers de géophysiciens appartenant à plus de 70 pays ont coordonné leurs efforts pour résoudre les mystères de la nature. Ce projet a bénéficié du plein appui de l'Unesco et de l'OMM ainsi que de diverses unions internationales d'astronomes, de physiciens, de radiophysiciens, de géodésistes et de géophysiciens, ainsi que du Comité des recherches spatiales (COSPAR) et du Comité scientifique pour les recherches antactiques (SCAR). Un homme de science britannique, W.G. Beynon, fut chargé de l'ensemble du projet et invité par le Comité international de géophysique à élaborer le programme général de recherches.

Les académies des sciences et autres institutions analogues de douzaines de pays ont également apporté le concours qu'on leur demandait, assurant ainsi la représentation des cinq continents, de toutes les zones climatiques, de bien des tendances scientifiques différentes, et de pays très inégalement développés, depuis ceux qui avaient derrière eux des dizaines de siècles d'histoire jusqu'à ceux qui viennent tout juste de jeter les bases d'un programme de développement économique et scientifique.

Le Japon et l'Australie sont les premiers pays à saluer le soleil levant et les astronomes de l'observatoire de Tokyo braquent sur lui leurs télescopes avant tous leurs collègues. A mesure que la terre tourne sur son axe, le soleil entre dans la portion du ciel observée par le Service soviétique solaire d'Extrême-Orient, installé sur les rives de l'Oussouri. Une heure ou deux plus tard, ce sont les astronomes d'Irkoutsk, d'Alma-Ata, de Tachkent et de Delhi qui prennent la relève. Lorsque le soleil se lève sur la Caspienne, il est pris en charge par les savants de l'Azerbaidjan, à Perkouli, près de Bakou, et par leurs collègues géorgiens des collines d'Abastoumani. C'est ensuite le tour des observatoires de Kislovodsk, puis de Crimée, de Krasnaya Pakhra, près de Moscou, de Kiev et de Lvov.

Prennent alors la relève les astronomes de Potsdam, dans la République démocratique allemande, de Plzen, en Tchécoslovaquie, de Ljubljana, en Yougoslavie, de Wroclaw, en Pologne, du Pic du Midi de Bigorre, en France, et de Greenwich, en Angleterre. De l'autre côté de l'Atlantique, les télescopes sont déjà en place au Smithsonian Observatory de Washington, et aux observatoires d'Arecibo (Porto Rico), de Tonanzintla (Mexique), de Boulder (Colorado) et de Sacramento Peak (New Mexico, USA) et d'Ottawa (Canada). Au sud de l'Equateur, le relais sera assuré successivement en Afrique du Sud, en Argentine et au Pérou, jusqu'à ce que le soleil aille se plonger dans le Pacifique pour reparaître devant les côtes orientales de l'Asie.

Il a déjà été dit, et il faut le rappeler, que le projet AISC n'avait pas pour objet des recherches astronomiques et qu'il portait sur les relations soleil-terre, du point de vue de la terre; autrement dit, il devait permettre de déterminer l'impact des phénomènes solaires sur la terre. L'observation astronomique du soleil, pour importante qu'elle fût, ne devait constituer qu'un point de départ.

Les régions polaires de notre planète sont, plus que toute autre, riches d'intérêt pour le géophysicien, car c'est là que se trouvent les pôles de l'aimant sphérique sur lequel nous vivons. C'est là qu'apparaissent avec une vigueur particulière les orages magnétiques et les aurores polaires produites par l'irruption de particules chargées venues du cosmos. C'est là aussi que l'on peut observer le comportement très particulier de l'ionosphère, couche supérieure de l'atmosphère chargée d'électricité, sur laquelle se réfléchissent les ondes radio. Et c'est là enfin, sur ces vastes solitudes glacées, que se forment souvent les grands courants d'air froid qui affectent le temps et le climat de régions très éloignées.

Tous ces phénomènes sont directement ou indirectement liés à l'humeur changeante du soleil et à la nature des radiations électromagnétiques qui en émanent. Pour se faire une idée complète des relations qui existent entre la terre et l'étoile la plus proche, il faut donc commencer ces observations dans les régions polaires, où les divers aspects de ce concept prennent un relief particulier.

C'est précisément la raison pour laquelle l'attention des savants s'est d'abord portée sur les travaux des postes avancés les plus septentrionaux de l'AISC, c'est-à-dire les stations Pôle nord-12, Pôle nord-13 et Pôle nord-14. Là, pendant l'interminable nuit polaire, exposés à d'incessantes tempêtes de neige, des chercheurs ont étudié les orages magnétiques et les aurores polaires et observé la propagation des ondes radio ainsi que le comportement des rayons cosmiques en période de « soleil calme ».

La calotte glaciaire de l'Antarctique a fait l'objet de recherches analogues. A la station de Vostok, proche du pôle magnétique qui est aussi le pôle du froid, les savants soviétiques qui participaient à l'entreprise ont poursuivi leurs efforts pendant tout l'hiver en dépit de températures souvent inférieures à 80 °C au-dessous de zéro.

C'est ainsi que le continent le plus froid du monde est devenu la contrée qui comptait le plus fort pourcentage de savants, un continent d'hommes de science, pour ainsi dire, où la coopération scientifique internationale a atteint son maximum. Là, à la station de Vostok et à l'observatoire de Mirny, des savants soviétiques ont travaillé côte à côte avec ceux des Etats-Unis, de la France, de la République démocratique allemande, de la Tchécoslovaquie et de la Hongrie, tandis que d'autres savants soviétiques des géophysiciens travaillaient tout un hiver à la station américaine de McMurdo. Cette collaboration fructueuse a permis de perfectionner la recherche scientifique dans les diverses disciplines et elle a enrichi notre fonds commun de connaissances.

Chaque pays participant a exécuté son programme national qui s'insérait dans le cadre général du programme d'ensemble. C'est ainsi, qu'au titre du programme soviétique, beaucoup plus de cent satellites de type «Cosmos» ont été lancés pour procéder à toutes sortes d'observations dans l'espace circumplanétaire, c'est-à-dire là où précisément les phénomènes solaires ont leurs premières répercussions sur notre planète. Quatre satellites de type « Electron » ont été lancés en URSS aux fins spéciales du AISC ; leurs orbites, tantôt proches, tantôt éloignées de la terre, ont couvert une fraction importante de notre environnement immédiat et ont permis de préciser la configuration du champ magnétique terrestre, d'étudier les courants de particules, les rayons X d'origine solaire, de capturer des micro-météorites, d'étudier les électrons dont les savants soviétiques et américains du AISC ont découvert la présence dans les zones de radiation qui entourent la terre et, enfin, de déterminer la composition chimique des rayons cosmiques.

Au titre de ce même programme AISC, les savants américains ont lancé plusieurs satellites du type « Explorer », afin de mesurer le champ magnétique des particules chargées ; de classer les électrons d'après la direction de leurs mouvements et selon leur charge ; d'étudier les rayons cosmiques et les courants de particules, récemment découverts, qui balaient la terre comme un « vent solaire » ; et, enfin, de mesurer l'intensité de la frange extrême de l'atmosphère terrestre, là où elle se dissout dans l'espace cosmique. Les satellites américains de type « Oso » et « Ogo » ont recueilli des informations sur la genèse des éruptions solaires et la nature des particules lancées dans le cosmos à partir de la surface solaire.

Les satellites britanniques de type « Ariel » ont servi à mesurer les micro-météorites et à faire des expériences destinées à déterminer le comportement de l'ozone, ce gaz que l'on pourrait qualifier de fragile et dont la formation dans l'atmosphère dépend des rayons ultraviolets émis par le soleil. Le satellite canadien « Alouette » est allé explorer l'ionosphère afin d'étudier le rôle qu'elle joue dans la genèse des aurores polaires.

Il est à peine nécessaire de dire que le programme AISC ne comportait pas uniquement des recherches cosmiques : un réseau mondial de 240 stations et laboratoires a été créé pour mesurer le champ magnétique terrestre; 180 stations ont été chargées d'observer les aurores polaires ; 270 stations, de sonder l'ionosphère ; près de 1 000 stations météorologiques, d'étudier l'atmosphère, le climat et le temps; 105 stations, de capturer les rayons cosmiques; 110 observatoires, d'enregistrer les manifestations de l'activité solaire auxquelles on pouvait attribuer ces divers phénomènes.

En marge des expériences cosmiques déjà signalées, des géophysiciens soviétiques opérant au sol ont, par exemple, effectué des observations grâce à un vaste réseau de stations qui s'étendait des frontières occidentales du pays jusqu'à sa partie la plus orientale et de la péninsule de Kola au-delà du cercle arctique ainsi que de la Yakoutie, jusqu'à la Transcaucasie et à l'Asie centrale. Des milliers de géophysiciens soviétiques attachés à l'Académie des sciences de l'URSS et aux académies de maintes autres républiques de l'Union ont participé à cette vaste campagne de recherches scientifiques. Les universités les plus réputées du pays ont offert le concours de leurs instructeurs, de leurs chercheurs, de leurs étudiants enthousiastes les futurs géophysiciens afin d'aider à découvrir les mystères des réactions soleil-terre. On ne saurait non plus passer sous silence l'importante contribution des sections scientifiques du service météorologique soviétique.

L'Institut du magnétisme terrestre, de l'ionosphère et de la propagation des ondes radio (de l'Académie des sciences de l'URSS) a fait de Krasnaya Pakhra, petite ville située dans les environs de Moscou, un des centres importants du AISC. Cela s'explique du reste fort bien puisque son personnel s'intéresse essentiellement aux problèmes posés par les relations soleil-terre.

Il est un service de cet Institut dont on peut dire, au sens propre, qu'il est toujours en mouvement. Nous voulons parler du Schooner Zarya, le seul navire non magnétique du monde. Le Zarya a fait flotter le pavillon AISC sur des dizaines de milliers de miles ; il a parcouru la mer Baltique et la mer du Nord, les mers du Groenland et de Norvège et les vastes étendues de l'océan Atlantique, jusqu'à l'Equateur, en procédant à toutes sortes de sondages et de mesures destinés à fournir les données nécessaires à l'établissement de cartes marines de précision indiquant les déclinaisons magnétiques.

De leur côté, les géophysiciens des Etats-Unis ont mis sur pied un immense réseau de stations et d'observatoires scientifiques pour effectuer les diverses observations prévues au programme du ÄISC. Ce réseau couvrait le pays de Point Barrow, dans l'Alaska, jusqu'au Cap Kennedy, en Floride. Mais les savants américains étaient aussi présents dans l'Antarctique : au McMurdo Observatory, dans les huit stations construites spécialement pour les observations électromagnétiques, à la station Amundsen-Scott, située à l'extrême limite de notre planète, au pôle sud géographique lui-même.

Le navire américain « Eltanin » a procédé dans l'océan Antarctique à des expériences intéressantes pour l'étude des aurores polaires et des rayons cosmiques. Dans des pays aussi éloignés les uns des autres que l'Islande, l'Afrique du sud, le Maroc et le Japon, les savants américains ont confronté leurs observations avec celles des géophysiciens locaux.

Les savants britanniques, dans les stations insulaires, ou à bord des quatre navires météorologiques spécialement affectés à l'Atlantique nord ou du fameux « Discovery », affecté à l'océan Indien, ont étudié, dans le domaine de la physique de l'atmosphère et de la météorologie, un certain nombre de phénomènes en rapport avec le programme AISC. D'autres stations installées en Grande-Bretagne ou sur l'île Maurice, ainsi que le navire scientifique « Vidal », ont procédé à des observations relatives au champ magnétique terrestre. Le réseau de stations britanniques chargées d'étudier les aurores polaires s'étendait du nord de l'Ecosse à la baie de Halley, dans l'Antarctique. Quant aux stations d'étude de l'ionosphère, elles étaient disséminées sur une zone allant d'Edimbourg et de Sheffield à Singapour et à la mer de Weddell qui baigne la calotte glaciaire de l'Antarctique. Il ne semble pas que le climat britannique ait gêné l'observation radio du soleil, qui s'est déroulée dans les meilleures conditions à l'aide du radiotélescope du Jodrell Bank Observatory, appareil géant de 75 mètres. Une base scientifique puissamment équipée a été mise en place sur la Woomera Range, en Australie, en vue du lancement des fusées britanniques « Skylark » destinées à explorer les couches supérieures de l'atmosphère.

La Terre réagit aux humeurs du Soleil

Les hommes de science de la République fédérale d'Allemagne ont également apporté une contribution notable à la mise en suvre du projet. L'Institut d'aéronomie Max Planck a construit un observatoire dans le Harz, pour l'observation des satellites et l'étude du comportement de l'ionosphère. L'Institut Scherhag, de Berlin, s'est chargé de l'établissement de cartes météorologiques quotidiennes pour l'ensemble de l'hémisphère nord, ce qui a permis d'étudier l'effet des perturbations solaires sur la température de la stratosphère. De leur côté, les savants de la République démocratique allemande ont mis en oeuvre un programme intéressant et important. L'influence exercée sur l'ozone par les brusques variations de l'activité solaire a été étudiée à Postdam ; les variations magnétiques correspondant aux jours de soleil calme ont été enregistrées à Niemegk ; enfin, des études sur la propagation des ondes ont été effectuées à Kuhlungsborn. 

La mise en oeuvre d'une bonne partie du programme de l'AISC a été confiée à des géophysiciens tchécoslovaques, japonais, français, indiens, canadiens, polonais, italiens et australiens. Nous ne pouvons mentionner la contribution de chacun de ces groupes, mais on peut dire que leur travail s'est inséré harmonieusement dans l'effort international auquel chacun a pris une part importante.

Les renseignements relatifs aux relations soleil-terre qui ont été recueillis pendant toute la durée des AISC dans des régions aussi éloignées les unes des autres que la Yakoutie, en Sibérie soviétique, les Andes péruviennes, l'Antarctique et l'île de Capri constitueront pour les 70 pays participants un point de départ pour l'établissement de théories scientifiques destinées à expliquer des phénomènes physiques de portée mondiale.

Bien qu'il reste encore à dégager les conclusions les plus importantes, il est déjà possible d'en tirer quelques-unes. C'est ainsi que pendant la période de calme du soleil, on a rarement observé des aurores polaires en dehors de l'Arctique et de l'Antarctique. Il y a eu moins d'orages magnétiques et ionosphériques pour provoquer des déviations de la boussole et pour troubler les émissions de radio. On a observé un affaiblissement du rayonnement X et UV ainsi que de la pluie de particules chargées. Les modifications survenues dans les couches supérieures de l'atmosphère ont entraîné des changements d'ordre météorologique. La configuration des zones de radiation qui entourent notre planète a également été affectée.

L'utilisation pacifique des fusées nous a livré une masse d'informations considérable sur les couches supérieures de l'atmosphère, là où précisément l'impact des particules et radiations solaires se fait sentir avec le plus de force. Nous avons enrichi nos connaissances sur le flux, la réflexion et la distribution de la chaleur solaire ; sur le mouvement des grosses masses d'air ; sur le comportement des couvertures nuageuses ; et, enfin, sur l'effet de l'activité solaire sur la densité des couches supérieures de l'atmosphère. 

L'exploration effectuée par le « Zarya » a permis d'observer les anomalies magnétiques de vaste amplitude dans l'Atlantique nord au large des côtes des îles britanniques.

L'étude des aurores polaires a permis de résoudre partiellement le mystère de la composition chimique de la haute atmosphère qui contient de l'hydrogène atomique et de l'hélium d'origine terrestre. Il est maintenant hors de doute que la composition chimique de la partie la plus lointaine de l'ionosphère est beaucoup plus complexe qu'on ne le pensait jusqu'ici et que même les ondes courtes de radio peuvent passer de façon répétée d'un hémisphère à l'autre en suivant les lignes de force du magnétisme terrestre. Les savants ont pu établir que l'intensité du rayonnement cosmique, et plus particulièrement des particules à faible charge, est à peu près deux fols plus forte pendant la période de soleil calme alors que le flux d'ions positifs est deux fois moindre.

Il serait impossible d'épuiser la liste des résultats scientifiques obtenus grâce au programme AISC, d'autant plus que de nos jours les progrès de la géophysique sont si rapides qu'on ne peut presque plus les suivre.

Le projet AISC est en tout cas un excellent exemple du genre de collaboration internationale qu'impose la nature même du domaine d'étude. Son plus grand intérêt est peut-être d'avoir démontré combien peut être féconde la coopération pratique des hommes de science de tous les pays.

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Nicolai Pouchkov

Eminent géophysicien (Prix Lénine), Nikolai Pouchkov est directeur de l'Institut du magnétisme terrestre, de l'ionosphère, et de la propagation des ondes radio (Académie des Sciences de l'U.R.S.S.). Il est l'un des vice-présidents des Années internationales du soleil calme (A.I.S.C). 

Boris Silkine

Chercheur, membre du Comité soviétique de géophysique (Presidium de l'Académie des Sciences de l'U.R.S.S.), Boris Silkine a participé à l'Année géophysique internationale et aux A.I.S.C.