Une explosion solaire peut-elle couper l'électricité sur Terre ?
― Lors de la plus grande tempête solaire connue, les lignes télégraphiques se sont mises en marche toutes seules
Oui. En 1989, au Québec, une tempête solaire a privé d'électricité environ 6 millions de personnes. Le plus étrange, c'est que l'électricité du Soleil n'arrive pas directement jusqu'à nous. Quand le champ magnétique terrestre est ébranlé, le sol lui-même produit une faible « force électrique ». Et ce sont les longs fils électriques qui en captent la somme sur des centaines de kilomètres.
Une nuit de septembre 1859. Dans un bureau télégraphique américain, l'opérateur est perplexe. La machine se met à cliqueter toute seule, des étincelles jaillissent du papier, qui dégage une odeur de brûlé.
Il décide alors, par curiosité, de débrancher la pile. Et sans aucune pile, il parvient quand même à communiquer avec un bureau lointain. Au même moment, dans le ciel de pays du sud où on ne les voit jamais d'habitude, des aurores rouges colorent la nuit.
C'est ce qu'on appelle l'« événement de Carrington », la plus grande tempête solaire jamais enregistrée. Si la même chose se produisait aujourd'hui, qu'arriverait-il à notre quotidien ?
Pourquoi une explosion solaire agit-elle sur les fils au sol ? Seulement deux raisons
Lors d'une grande explosion à la surface du Soleil, un gigantesque nuage de gaz chargé électriquement est éjecté. Quand il percute la Terre, le champ magnétique qui nous entoure (le champ géomagnétique) se met à osciller fortement pendant plusieurs heures.
Quand le champ magnétique varie, une force électrique apparaît tout autour. Au sol, elle ne vaut que quelques volts par kilomètre : c'est extrêmement faible. Mais un fil de plusieurs centaines de kilomètres additionne cette force d'un bout à l'autre.
En somme, ce n'est pas l'électricité du Soleil qui s'engouffre dans les fils. C'est l'oscillation du champ magnétique terrestre qui fait « surgir » de l'électricité dans les longs fils au sol. Voyons cela en détail.
Le nuage solaire est arrivé bien plus vite que d'habitude
Le Soleil émet en permanence un flux de gaz appelé « vent solaire ». Sa vitesse est d'environ 400 km/s, et il met environ 4 jours à atteindre la Terre.
Mais lors d'une grande explosion, un nuage de gaz bien plus dense et plus rapide est éjecté d'un coup. On l'appelle « éjection de masse coronale ». Le nuage de 1859 aurait atteint la Terre en seulement 17,6 heures environ après l'explosion. Cela correspond à une vitesse de plus de 2000 km/s.
Ce nuage possède lui-même un champ magnétique. Si son orientation est opposée à celle du champ terrestre, les deux se connectent et l'énergie du nuage se déverse autour de la Terre. On appelle « tempête magnétique » cette forte agitation du champ géomagnétique. C'est aussi à ce moment que les aurores s'étendent jusque dans le ciel des pays du sud (le mécanisme des aurores est expliqué dans Pourquoi les aurores ne sont-elles visibles qu'à proximité des pôles ?).
Plus le fil est long, plus l'électricité produite est grande
Quand un champ magnétique varie dans le temps, une force électrique (un champ électrique) apparaît autour de lui. C'est le même principe qu'un générateur : on appelle cela l'« induction électromagnétique ». Pendant une tempête magnétique, ce faible champ électrique se répand sur tout le sol, sous nos pieds.
Lors d'une grande tempête magnétique, le champ électrique au sol atteindrait quelques volts par kilomètre. C'est à peu près aussi faible qu'une pile électrique. Mais un fil électrique additionne cette tension sur toute sa longueur. Essayez de faire varier la longueur du fil avec le curseur de la figure 1.
En regardant la partie basse de la figure 1, on voit que le câblage court d'une maison ne subit presque rien. Le danger vient des longues lignes électriques qui traversent pays ou régions. Les anciennes lignes télégraphiques étaient justement de tels longs fils. C'est pourquoi, en 1859, on a pu communiquer sans pile.
2000 volts, n'est-ce pas peu pour une ligne à haute tension ?
Les lignes à haute tension transportent déjà des centaines de milliers de volts. Comparés à cela, 2000 volts paraissent faibles. Le problème, c'est que la « nature » de ce courant est différente.
Le courant des lignes électriques est « alternatif » : son sens s'inverse des dizaines de fois par seconde. Celui créé par une tempête magnétique, en revanche, varie lentement, sur plusieurs minutes, et se comporte presque comme un courant « continu », circulant quasiment dans un seul sens. Les transformateurs des sous-stations sont conçus pour le courant alternatif ; si du courant continu s'y mêle, le noyau de fer se sature magnétiquement. Le transformateur chauffe alors, et son système de régulation de tension cesse de bien fonctionner.
Au Québec, en mars 1989, les dispositifs de protection se sont ainsi déclenchés en cascade, et le réseau électrique s'est arrêté en environ 90 secondes. Le rétablissement a demandé environ 9 heures.
Lors d'une grande tempête magnétique en mai 2024, une aurore rouge a été photographiée jusqu'à Hokkaido. On parle alors d'« aurore de basse latitude ». La tempête solaire de 1859 aurait été encore plus intense. Elle s'est produite environ 18 heures après que Carrington eut observé l'explosion solaire au télescope.
Lors d'une tempête magnétique, les couches de l'atmosphère terrestre en altitude sont aussi perturbées. Cela peut dérégler les signaux des satellites utilisés pour la géolocalisation des smartphones, ou rendre les ondes radio courtes plus difficiles à capter. Les satellites eux-mêmes peuvent perdre de l'altitude en frottant contre une atmosphère dilatée.
En résumé
Le nuage de gaz éjecté par une grande explosion solaire secoue fortement le champ magnétique terrestre. Quand ce champ varie, un faible champ électrique de quelques volts par kilomètre apparaît au sol. Les longues lignes électriques, sur des centaines de kilomètres, additionnent cette tension et mêlent du courant continu aux transformateurs des sous-stations. C'est ainsi qu'une tempête solaire peut provoquer une panne d'électricité sur Terre. Aujourd'hui, plusieurs pays surveillent le Soleil et font fonctionner un système d'alerte précoce (la « météo spatiale »). Ce que nous pouvons faire, c'est nous préparer comme pour toute panne d'électricité ordinaire.
Ce n'est pas l'électricité du Soleil qui arrive jusqu'à nous.
C'est le champ géomagnétique ébranlé qui fait surgir de l'électricité dans les longs fils.
La façon dont l'électricité pénètre dans les fils lors d'un orage est expliquée dans Faut-il débrancher les prises quand il y a un orage ?, et la raison pour laquelle la Terre est un aimant dans Pourquoi l'aiguille d'une boussole pointe-t-elle vers le nord ?.
- Ouvrez la page « prévisions de météo spatiale » du NICT (Institut national japonais des technologies de l'information et de la communication) et observez l'activité solaire et l'état du champ géomagnétique du jour.
- La page de l'observatoire géomagnétique de l'Agence météorologique japonaise publie une « alerte de tempête magnétique » lorsqu'une tempête survient. Dans ce cas, vous pourrez voir le graphique du champ géomagnétique onduler fortement.
- Les soirs où une grande tempête magnétique est annoncée, essayez de photographier le ciel du nord avec un long temps de pose, dans un endroit peu éclairé par la ville. Même invisible à l'œil nu, une teinte rouge peut apparaître sur la photo.
Il faut généralement 1 à 3 jours entre une explosion solaire et ses effets sur Terre. Le temps d'attendre, après la prévision, que le ciel se révèle : voilà ce qui rend la météo spatiale si intéressante.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université, le niveau de chaque explication est indiqué
- CollègeNotions vues en sciences au collège
- LycéeNotions vues en « physique » ou « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon vu au lycée : matière spécialisée universitaire (électromagnétisme, physique de l'espace)
- RecherchePas encore une « vérité établie » même à l'université : sujet encore étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Éjection de masse coronale : phénomène où un nuage de gaz chargé électriquement est éjecté depuis l'atmosphère externe du Soleil (la couronne).
- Tempête magnétique : forte perturbation du champ magnétique terrestre (champ géomagnétique), sous l'effet du gaz solaire, pendant quelques heures à quelques jours.
- Induction électromagnétique : phénomène où la variation d'un champ magnétique crée autour de lui une tension qui tend à faire circuler un courant. Vu en 4e en sciences physiques.
- Courant géomagnétiquement induit : courant qui s'engouffre, lors d'une tempête magnétique, dans de longs conducteurs comme les lignes électriques ou les pipelines.
CollègeLycéeVérifions par le calcul : quelle tension apparaît dans un fil de 1000 km ?
En supposant le champ électrique au sol uniforme, calculons la tension créée entre les deux extrémités du fil. Calculons aussi, au passage, la vitesse du nuage de gaz de 1859.
| En symboles | V = E × L |
| En mots | Tension créée dans le fil = champ électrique au sol (tension par km) × longueur du fil |
| Origine de la formule | Loi de l'induction électromagnétique de Faraday. Quand le champ géomagnétique varie dans le temps, un champ électrique apparaît au sol. La tension est la somme de ce champ électrique le long du trajet |
| Symbole | Signification et unité |
| V | Tension créée entre les deux extrémités du fil (volts) |
| E | Intensité du champ électrique au sol (volts par km) |
| L | Longueur du fil (km) |
| Champ électrique au sol lors d'une grande tempête magnétique | de l'ordre de quelques volts par km (ici, 2 volts) |
| Longueur d'une longue ligne électrique | 1000 km |
| Longueur du câblage domestique | 30 m (0,03 km) |
| Distance Soleil-Terre | environ 150 000 000 km |
| Temps d'arrivée du nuage de 1859 | environ 17,6 heures |
| Tension créée dans la ligne électrique (V) | 2 × 1000 = 2000 |
| Combien de fois les 100 volts d'une prise domestique | 2000 ÷ 100 = 20 |
| Tension créée dans le câblage domestique (V) | 2 × 0,03 = 0,06 |
| 17,6 heures converties en secondes | 17,6 × 3600 = 63360 |
| Vitesse du nuage de 1859 (km/s) | 150000000 ÷ 63360 ≒ 2367 |
| Temps nécessaire pour un vent solaire ordinaire (400 km/s) | 150000000 ÷ 400 = 375000 |
| Converti en jours | 375000 ÷ 86400 ≒ 4,3 |
Sur le même sol, une ligne de 1000 km produit 2000 volts, et un câblage domestique de 30 m seulement 0,06 volt. Ce qui crée cette différence, ce n'est pas l'intensité de la tempête, mais la longueur du fil. Le nuage de 1859 a parcouru en moins d'un jour une distance qu'un vent solaire ordinaire met plus de 4 jours à franchir.
LycéeLycée+Pourquoi le courant continu pose-t-il problème ?
LycéeUn transformateur fait varier le flux magnétique dans son noyau de fer grâce au courant alternatif, et change la tension par induction électromagnétique. C'est vu au lycée dans les chapitres « courant alternatif » et « transformateur ».
Lycée+Le courant créé par une tempête magnétique varie lentement, sur une période de quelques minutes à quelques dizaines de minutes, ce qui le rend presque continu comparé aux 50-60 cycles par seconde du courant alternatif. Lorsqu'il s'engouffre par la mise à la terre du point neutre du transformateur, le flux magnétique du noyau de fer se déséquilibre d'un côté. Le noyau subit alors une saturation magnétique, ce qui entraînerait un courant déformé, un échauffement, et une consommation excessive de puissance réactive.
UniversitéLe champ électrique au sol dépend de la conductivité électrique du sous-sol
L'intensité du champ électrique au sol ne dépend pas seulement de la rapidité de variation du champ géomagnétique, mais varie fortement selon la conductivité électrique du sous-sol. Sur une roche ancienne et peu conductrice, le champ électrique devient plus fort ; le sous-sol du Québec en serait un exemple typique. La méthode de calcul qui modélise le sous-sol en couches planes s'appelle la « méthode magnétotellurique », aussi utilisée en prospection géophysique. L'intensité d'une perturbation géomagnétique s'exprime par l'« indice Dst » : elle valait environ -589 nanoteslas en 1989. Pour 1859, les estimations se situent, avec une grande marge, entre -850 et -1700 nanoteslas.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Induction électromagnétique (Wikipédia japonais) ／ Tempête magnétique (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Quelle était l'intensité réelle de la tempête de 1859 ? Les relevés géomagnétiques de l'époque sont rares, et les estimations d'intensité varient fortement. On discute même de la possibilité que des tempêtes solaires encore plus fortes aient eu lieu dans le passé, d'après le carbone retrouvé dans les cernes des arbres.
- Quand surviendra la prochaine tempête de même ampleur ? Des études estiment la probabilité d'occurrence sur dix ans, mais les chiffres varient selon les recherches.
- Peut-on connaître l'orientation magnétique du nuage avant son arrivée ? L'ampleur des dégâts dépend de l'orientation du champ magnétique du nuage, mais on ne peut la connaître qu'au passage d'un satellite d'observation situé juste avant la Terre, environ une heure avant l'arrivée.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « ce qu'on comprend à l'heure actuelle ». Les prévisions de météo spatiale suivent aujourd'hui le même chemin qu'ont parcouru autrefois les prévisions météorologiques ordinaires.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences physiques, « courant et champ magnétique », induction électromagnétique | La variation du champ magnétique crée une tension |
| Lycée | Physique « induction électromagnétique et courant alternatif », sciences de la Terre « le Soleil et la Terre » | Transformateur, vent solaire et champ géomagnétique |
| Lycée+ | Physique (approfondissement), saturation magnétique | Pourquoi le courant continu perturbe le transformateur |
| Université | Électromagnétisme, physique de l'espace, géomagnétisme | Conductivité du sous-sol et champ électrique au sol, indice Dst |
| Recherche | Prévision de météo spatiale, reconstitution d'anciennes tempêtes solaires | Ce qui n'est pas encore connu |
| ― | Lien avec le quotidien | Préparation aux pannes de courant, décalage de géolocalisation satellite, observation des aurores |
- National Institute of Information and Communications Technology (情報通信研究機構, NICT), « Prévisions de météo spatiale »
- Observatoire géomagnétique de l'Agence météorologique japonaise (気象庁 地磁気観測所)
- Tempête solaire de 1859 (ウィキペディア, Wikipédia japonais)
- Boteler, D. H. (2019). A 21st Century View of the March 1989 Magnetic Storm. Space Weather, 17.
- Tsurutani, B. T. et al. (2003). The extreme magnetic storm of 1–2 September 1859. Journal of Geophysical Research, 108(A7).
※ Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. En cas de panne d'électricité ou de communication, suivez les consignes de votre compagnie d'électricité ou des autorités locales.