Pourquoi l'extérieur du Soleil est-il plus chaud que sa surface ?
― Au-dessus d'une surface à 6000 °C flotte une atmosphère ténue à 1 million de °C
Autour d'un feu de camp, plus on s'éloigne, moins on a chaud. Sur le Soleil, c'est l'inverse. La surface lumineuse est à environ 6000 °C, mais l'atmosphère qui l'entoure dépasse 1 million de °C. Ce n'est pas la chaleur d'une flamme qui la chauffe : on pense que c'est la force magnétique du Soleil.
Dans un sauna, il peut faire plus de 90 °C. Pourtant, on y reste assis plusieurs minutes. Plongez la main dans de l'eau à 90 °C, et vous êtes brûlé en un instant.
À température égale, l'air est ténu et transmet peu de chaleur au corps. « Avoir une température élevée » et « contenir beaucoup de chaleur » sont en réalité deux choses différentes.
Cette différence mène à la plus grande énigme de l'étoile la plus proche de nous. Lors d'une éclipse totale, autour de la Lune noire s'étale une couronne de lumière blanche. C'est la couronne solaire, à 1 million de °C.
Seulement deux raisons
Si la chaleur ne faisait que monter de la surface, l'extérieur ne pourrait pas être plus chaud qu'elle. On pense que la couronne est chauffée par l'énergie que transporte le champ magnétique (le chemin de la force magnétique), qui s'élève depuis l'intérieur sous la surface.
La couronne contient environ cent millions de fois moins de particules que le gaz près de la surface. Un tout petit apport d'énergie suffit donc à agiter vivement chaque particule, et la température monte jusqu'à 1 million de °C.
Autrement dit, la couronne n'est pas tant un « objet très chaud » qu'un « endroit où peu de particules filent à toute vitesse ». Voyons cela pas à pas.
Comment la température change-t-elle de la surface vers l'extérieur ?
Regardez la figure 1. L'axe horizontal donne l'altitude au-dessus de la surface du Soleil, l'axe vertical la température. L'axe vertical est gradué de sorte qu'un cran multiplie la valeur par 10.
À environ 500 km au-dessus de la surface, la température descend un temps jusqu'à un peu plus de 4000 °C. Jusque-là, c'est comme le feu de camp : plus on s'éloigne, plus il fait froid. Mais ensuite la température se remet à monter et atteint environ 20 000 °C vers 2000 km.
Puis, dans les quelques centaines de kilomètres suivants, elle bondit d'un coup jusqu'à près de 1 million de °C. Cette pente raide s'appelle la « zone de transition ». Au-delà s'étend la couronne, qui se déploie dans l'espace.
C'est la force magnétique qui transporte l'énergie
La chaleur ne va que du chaud vers le froid. C'est un grand principe de la nature. L'explication selon laquelle la chaleur de la surface « suinterait » pour chauffer la couronne ne tient donc pas : l'extérieur est plus chaud.
C'est pourquoi on s'intéresse au champ magnétique. Juste sous la surface du Soleil, un gaz brûlant bouillonne et monte et descend sans cesse. De là, des faisceaux de champ magnétique jaillissent hors de la surface, en forme de boucles.
Secoués par les mouvements du gaz, ces faisceaux se tordent et vibrent. On envisage surtout deux mécanismes. Dans le premier, des ondes remontent le long des faisceaux, puis s'épuisent dans la couronne et se changent en chaleur. Dans le second, des champs magnétiques tordus se reconnectent en petit, et chaque reconnexion provoque une toute petite explosion.
Dans les deux cas, ce n'est pas de la « chaleur » mais du « mouvement » qui monte, et il ne devient chaleur qu'en haut. Le principe est donc respecté, même si l'extérieur est plus chaud. C'est comme de l'argile qu'on pétrit à la main et qui tiédit : même à partir de quelque chose de plus froid, transmettre du mouvement peut chauffer l'autre.
Comme c'est ténu, un peu d'énergie suffit à chauffer
Regardez la figure 2. La boîte de gauche représente le voisinage de la surface, celle de droite la couronne. Chaque point est une particule de gaz.
La température mesure l'agitation d'une seule particule. Dans la couronne, où les particules sont très rares, il suffit de distribuer un peu d'énergie pour que chacune bouge très vivement. Si l'on compare la quantité totale de chaleur, dans un même volume, la couronne en contient quelques centaines de milliers de fois moins que le voisinage de la surface (le calcul est dans le volet repliable final).
Être ténu a un autre effet. Un gaz chaud se refroidit en émettant de la lumière, et l'intensité de cette émission dépend du nombre de collisions entre particules. Dans la couronne, où elles sont rares, les collisions sont peu nombreuses et le gaz se refroidit mal. Même de petits apports d'énergie, ajoutés peu à peu, suffisent donc à maintenir une température élevée.
Lors de l'éclipse totale de 1869, on a trouvé dans la couronne une lumière verte qui ne correspondait à aucun élément connu sur Terre. On a même cru un temps à un nouvel élément, le « coronium ». Vers 1940, on a compris que cette lumière venait de fer privé de 13 électrons. Pour arracher autant d'électrons, il faut une température d'environ 1 million de °C. L'élément mystérieux est devenu la preuve d'une température mystérieuse.
Comparée à la lumière que la surface envoie dans l'espace, l'énergie qu'il faut pour entretenir une couronne calme est estimée à environ 1/200 000. Autrement dit, un tout petit « partage » de l'activité du Soleil suffit à maintenir 1 million de °C.
En résumé
Si la couronne est plus chaude que la surface, ce n'est pas parce que la chaleur « suinte » du dessous. On pense que les mouvements du gaz sous la surface secouent le champ magnétique, et que cette énergie se change en chaleur en haut. Et comme la couronne est très ténue, un peu d'énergie suffit à agiter violemment chaque particule et à atteindre 1 million de °C. Mais on ne sait toujours pas clairement lequel des deux mécanismes joue le plus grand rôle, ni dans quelle proportion.
La couronne n'est pas un « bloc brûlant » mais « quelques particules trop rapides ».
Une température élevée et beaucoup de chaleur, ce n'est pas la même chose.
Pourquoi l'espace ne gèle pas aussitôt le corps humain ? Réponse dans « Est-il vrai que l'espace est froid ? ». Qu'apporte à la Terre le gaz qui jaillit de la couronne ? C'est dans « Une grande explosion solaire peut-elle provoquer une panne de courant sur Terre ? ». Quant au mécanisme qui fait briller le Soleil lui-même, rendez-vous à « Pourquoi les étoiles peuvent-elles briller pendant des milliards d'années ? ».
- Ouvrez le congélateur et placez la main dans l'air à l'intérieur (quelques secondes seulement). C'est froid, mais supportable.
- Ensuite, dans le même congélateur, prenez un pain de glace refroidi, à travers une serviette, quelques secondes seulement. Bien qu'il soit à la même température que l'air, il doit vous sembler bien plus froid. L'air est ténu : il prélève peu de chaleur à la main.
- Cherchez sur Internet des images de satellites d'observation du Soleil. Comparez le Soleil photographié en lumière visible et en lumière de courte longueur d'onde, invisible à l'œil : sur la seconde, les boucles de champ magnétique de la couronne apparaissent lumineuses.
※Tenir longtemps un pain de glace à mains nues peut abîmer la peau. Mettez une serviette et arrêtez au bout de quelques secondes. Ne regardez jamais le Soleil directement. Même lors d'une éclipse, utilisez des lunettes spéciales.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en physique et en sciences de la Terre au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou contenu traité en encadré dans les manuels
- Univ.Non vu au lycée : cours spécialisés d'université (physique solaire, physique des plasmas)
- RechercheMême à l'université, ce n'est pas enseigné comme acquis : sujets que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Photosphère : la surface lumineuse du Soleil, celle que l'on voit d'habitude. Sa température est d'environ 6000 °C.
- Chromosphère et zone de transition : la chromosphère est la couche ténue d'environ 2000 km d'épaisseur juste au-dessus de la photosphère. Au-dessus, la couche de quelques centaines de km où la température grimpe brusquement est la zone de transition.
- Couronne : l'atmosphère du Soleil au-delà de la zone de transition, à plus de 1 million de °C. Pendant une éclipse totale, elle apparaît comme une couronne blanche.
- Problème du chauffage coronal : pourquoi la couronne est-elle plus chaude que la surface ? Une énigme de la physique solaire vieille de plus de 70 ans.
CollègeLycéeVérifier par une formule : quelle quantité de chaleur la couronne contient-elle ?
La température est l'agitation d'une particule, la quantité de chaleur est le total de toutes les particules. Comparons la chaleur stockée dans un même mètre cube près de la surface et dans la couronne.
| En symboles | u = (3/2) × n × k × T |
| En mots | Chaleur stockée dans 1 mètre cube = 1,5 × nombre de particules × constante de Boltzmann × température |
| D'où vient cette formule | De la théorie cinétique des gaz. L'énergie de mouvement moyenne d'une particule est (3/2)kT, proportionnelle à la température. En la multipliant par le nombre de particules, on obtient la chaleur totale |
| u | Quantité de chaleur par mètre cube (en joules par mètre cube) |
| n | Nombre de particules par mètre cube |
| k | Constante de Boltzmann (la même valeur des deux côtés : elle disparaît dans la comparaison) |
| T | Température (en kelvins ; à cet ordre de grandeur, presque le même nombre qu'en °C) |
| Température près de la surface | environ 6000 kelvins |
| Température de la couronne | environ 1 million de kelvins |
| Rapport du nombre de particules (près de la surface : couronne) | environ 100 millions : 1, selon les estimations |
| Lumière émise par 1 mètre carré de surface | environ 63 millions de watts, selon les estimations |
| Énergie nécessaire pour entretenir une couronne calme | environ 300 watts par mètre carré de surface, selon les estimations (Withbroe et Noyes, 1977) |
| Rapport des températures (couronne ÷ surface) | 1000000 ÷ 6000 ≒ 167 |
| Rapport des quantités de chaleur (rapport des nombres de particules ÷ rapport des températures) | 100000000 ÷ 167 ≒ 600000 |
| Rapport entre la lumière de la surface et l'énergie nécessaire à la couronne | 63000000 ÷ 300 ＝ 210000 |
La température est 167 fois plus haute, mais la quantité de chaleur stockée dans un même mètre cube est environ 600 000 fois plus faible dans la couronne. Et l'énergie nécessaire pour l'entretenir n'est qu'environ 1/210 000 de la lumière émise par la surface. C'est exactement la même relation qu'entre l'air du sauna à 90 °C, qui contient bien moins de chaleur que de l'eau à 90 °C.
LycéeLycée+Deuxième principe de la thermodynamique et chauffage par le « mouvement »
LycéeLa chaleur ne passe jamais spontanément d'un corps froid à un corps chaud (deuxième principe de la thermodynamique). En revanche, un travail (appliquer une force pour déplacer) permet de la faire passer du froid vers le chaud. C'est le même principe qu'un réfrigérateur, qui pompe la chaleur de l'intérieur vers la pièce plus chaude. Le chauffage de la couronne n'est pas contradictoire si l'on considère que les mouvements du gaz près de la surface transportent de l'énergie sous forme de « travail » par le champ magnétique.
Lycée+La température de la couronne se déduit de son spectre de raies d'émission. Vers 1940, Grotrian et Edlén ont établi que la raie verte (longueur d'onde d'environ 530 nanomètres) provient d'ions de fer ayant perdu 13 électrons. Pour arracher autant d'électrons, les collisions entre particules doivent atteindre l'ordre du million de kelvins.
Univ.Chauffage par ondes et chauffage par nanoflares
La couronne est un plasma séparé en électrons et en ions, qui se déplace le long du champ magnétique. Deux explications sont privilégiées. La première, le « chauffage par ondes », veut que des ondes d'Alfvén, entre autres, se propagent le long des lignes de champ et se dissipent en chaleur dans la couronne. La seconde, le « chauffage par nanoflares », veut que des lignes de champ tordues par la convection de surface subissent une « reconnexion magnétique » (un rebranchement), provoquant d'innombrables petites éruptions qui chauffent le gaz. L'intensité avec laquelle un plasma ténu se refroidit en émettant de la lumière s'exprime par le « refroidissement radiatif », proportionnel au carré de la densité : la couronne, ténue, se refroidit mal.
📖 Démonstration des formules et approfondissements : Couronne (Wikipédia en japonais) ／ Reconnexion magnétique (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore clairement
- Des ondes ou des reconnexions : lequel est le principal acteur ? Les observations fournissent des indices pour les deux, mais la part de chacun n'est pas tranchée. Elle peut aussi varier selon le lieu et la phase d'activité du Soleil.
- Ce qu'ont vu les sondes qui se sont approchées du Soleil. Lancée en 2018, Parker Solar Probe a trouvé près du Soleil de nombreuses structures où le champ magnétique se replie en S. On étudie leur lien avec le chauffage de la couronne.
- De petits « feux de camp ». En 2020, la sonde Solar Orbiter a photographié d'innombrables petites brillances près de la surface. On discute pour savoir si elles sont une part de la réalité des nanoflares.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Le problème du chauffage coronal reste l'une des plus grandes questions de la physique solaire.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « Système solaire et étoiles », « Propagation de la chaleur » | Noms de la photosphère et de la couronne ; la chaleur va du chaud vers le froid |
| Lycée | Physique : « Théorie cinétique des gaz », « Thermodynamique » ; sciences de la Terre : « Le Soleil » | La température est l'énergie d'une particule ; différence avec la quantité de chaleur |
| Lycée+ | Physique : « Spectres atomiques » | Connaître la température grâce à la raie verte et aux ions de fer |
| Univ. | Physique solaire, physique des plasmas | Ondes d'Alfvén, reconnexion magnétique, refroidissement radiatif |
| Recherche | Observations par sondes solaires | Parts respectives des ondes et des reconnexions |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Air du sauna et eau chaude ; air du congélateur et pain de glace |
- Wikipédia en japonais, « コロナ » (Couronne)
- Withbroe, G. L. & Noyes, R. W. (1977) Mass and Energy Flow in the Solar Chromosphere and Corona. Annual Review of Astronomy and Astrophysics 15
- Vernazza, J. E., Avrett, E. H. & Loeser, R. (1981) Structure of the solar chromosphere. III. The Astrophysical Journal Supplement Series 45
- Edlén, B. (1943) Die Deutung der Emissionslinien im Spektrum der Sonnenkorona. Zeitschrift für Astrophysik 22
- Wikipédia en japonais, « 磁気リコネクション » (Reconnexion magnétique)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs données sont des repères et des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. L'évolution de la température de la figure 1 suit un modèle moyen ; sur le vrai Soleil, elle varie fortement selon le lieu et l'époque.