Le Soleil

3 Structure et fonctionnement

A. Structure

a) Structure interne

Comme on le voit sur le schéma ci-dessus, la structure interne du Soleil est constituée de plusieurs zones, en son centre se trouve une région où il y règne une température de 15 millions de degrés, le noyau, qui occupe 15% du Soleil, avec un diamètre de 250 000 km, c'est à cette endroit où la fusion nucléaire (la réaction qui transforme l'hydrogène en hélium).
Plus haut, se trouve une couche de 244 160 km d'épaisseur appelée la zone radiative, c'est une zone qui représente 98% de la masse du Soleil, entièrement ionisée et bombardée par des rayons gamma venant de la fusion des protons.
Après cette zone radiative se trouve une zone où les gaz sont moins ionisés, la zone de convection qui mesure 199 752 km d'épaisseur, cette zone sert à évacuer la chaleur vers l'extérieur grâce à des mouvements tourbillonnaires dû à la différence de température et formant en surface une super granulation divisant la photosphère en cellule et créant sur la chromosphère des spicules.
En suit la photosphère (photo ci-dessous), qui représente la surface visible du Soleil avec une épaisseur d'environ 400 km pour une température de 6 000 °C est essentiellement composée d'hydrogène (75%) mais aussi d'hélium (24%) ainsi que 1% d'autres éléments chimiques.

La photosphère du Soleil avec une tâche magnétique géante de la taille de 12 fois la Terre

La structure granuleuse est formée par les gaz chauds qui viennent du noyau, les granules ou grains de riz ont une taille comprise entre 1 000 et 2 000 km de diamètre et durent environ 8 à 10 minutes . Les tâches sombres, comme on peut le voir sur la photo sont produites par le champ magnétique interne.
Cette photosphère est responsable de plus de 99% du rayonnement solaire avec 41% de rayonnement dans le visible, 51% dans l'infrarouge, 7% dans l'ultra violet.
Sur la photosphère se trouve la chromosphère, qui n'est visible durant une éclipse, peut atteindre 10 000 km de haut avec une température comprise entre 10 000°C juste au dessus de la photosphère et 20 000°C pour les couches les plus élevées et atteint même 1 000 000°C 10 000 km plus haut, à cet endroit, elle fusionne avec la basse couronne. Par contre, il y a un saut de température qui se produit à environ 2 000 km d'altitude, où la température passe de 10 000°C à 100 000°C seulement en quelques dizaines de kilomètres, et qui forme la chromosphère couronne. La chromosphère est formée de spicules, de protubérances et d'éruptions chromosphériques.
On en arrive à la dernière « couche » constituant la structure interne avec la couronne solaire qui s'étend très loin dans l'espace, et où sa température varie entre 1 et 2 millions de degrés. Lors de son observation, on y aperçoit de fines structures dues aux protubérances.
La couronne est constituée de deux couches :

• la couche K, (de 0,5 à 1 rayon solaire), c’est la partie de la couronne la plus proche de la chromosphère. Elle diffuse un spectre continu dû à la diffusion de la lumière par ses électrons,
• la couche F (F pour couronne de Fraunhofer), c’est la partie de la couronne située au-delà de la couche K, et qui s’étend sur des distances très importantes. Des mesures radioélectriques ont permis d’observer son influence à des dizaines de rayons solaires bien que l’atmosphère solaire ne soit plus détectable à une altitude supérieure à 2 ou 3 rayons solaires.

b) Structure externe

Tout comme la structure interne, la structure externe est, elle aussi, séparée en plusieurs couches. Il y a tout d'abord les spicules, qui se trouvent dans la partie supérieure de la chromosphère. Ces spicules sont d'immenses jets de gaz rouge « retombant » qui peuvent atteindre les 16 000 km de haut avec une vitesse de 20 km/s.
En suit les granules, vu précédemment, sont des « cellules » recouvrant la photosphère mais pas les tâches solaires, qui sont des perturbations photosphériques liées à une déformation des lignes de champ magnétique du à la rotation du Soleil, ces tâches sont froides et sombres avec une température d'environ 4 500°C ainsi qu'une durée de vie de quelques semaines. C'est à cet endroit que l'on trouve une zone d'intense champ magnétique. Pour information, c'est en avril 1947 que l'on a observé la plus grosse tâche solaire avec une taille qui pouvait contenir 100 Terres.
Le nombre de tâches est codifié par R.Wolf avec la formule:

R=k(10g + f)

R : nombre relatif de tâches
k : coefficient de pondération lié à l’observateur, à la qualité de l’image et à celle de l’instrument utilisé
g : nombre de groupes de tâches
f : nombre de tâches

La valeur moyenne de l’indice R évolue autour du chiffre 112, mais avec des minimums et des maximums aux environs de 50 à 200.
A la surface du Soleil, il y a des sortes d'énormes fontaines de gaz qui s'y écoulent, ceux sont des protubérances. Elles apparaissent très souvent dans les zones de tâches solaires et peuvent jaillir jusqu'à la distance de 1,5 millions de km.
Pour les éruptions solaires, ce sont des éclairs très énergétiques 10 fois plus lumineux que le Soleil qui se trouve en surface du Soleil et qui peuvent durer entre quelques minutes à plusieurs heures. C'est grâce à ces éruptions qu'il y a les aurores boréales.
Le Soleil projette également une masse de 3 tonnes de matière toutes les heures, qui, grâce au vent solaire atteint l'orbite des planètes proches.

B. Fonctionnement

Le Soleil étant une étoile, elle émet sa propre lumière c'est ce qui différencie une étoile d'une planète qui ne fait que réfléchir la lumière incidente. Plusieurs théories ont été développées pour expliquer la création de cette énergie sous forme de lumière ( par exemple, la conversion d' énergie gravitationnelle en énergie lumineuse due à la contraction du Soleil ou encore la transformation de l'énergie provenant du bombardement de météorites ) mais l'inconvénient avec ces théories est qu'elles donnent au Soleil une durée de vie de quelques millions d'année. Il faut attendre 1920, pour Eddington propose une origine de la lumière liée au nucléaire, et plus précisément, cette lumière provient de la fusion de quatre noyaux d'hydrogène qui donnent un noyau d'hélium.
Dans le noyau du Soleil, il y a environ 633 millions de tonnes d' hydrogène qui se transforment en une seconde en 628 millions de tonnes d' hélium ce qui implique que toutes les secondes, il y a 5 millions de tonnes de matière solaire qui se transforment en énergie ainsi émis dans l'espace.
Cette fusion suit la chaîne proton-proton avec l'équation suivante :

₁H¹ : Hydrogène
₁H² : Deutérium
e⁺ : positron
ν : neutrino
₂He³ : Hélium-3
γ : rayonnement gamma
₂He⁴ : Hélium

Cette réaction a lieu grâce à la très haute température qui règne dans la noyau du Soleil, ce qui fait que les particules sont très agitées et se percutent. Lors de ces chocs, deux noyaux peuvent se coller afin de donner un nouveau noyau, c'est ce que l'on appelle la fusion nucléaire.
Bien évidemment cette réaction, qui met en jeu quatre protons pour donner un atome d'hélium (2 protons, 2 neutrons), donne un noyau légèrement plus léger que la somme des masses des entités prisent au départ, cette différence se traduit par l'émission d'énergie et de particules appelées des neutrinos.
Cette transformation, peut se faire de deux manières distinctes, la chaîne proton-proton, proposée par Charles Critchfield, qui représente l'équation ci-dessus avec l'association de deux protons pour former un noyau de deutérium(1 proton, 1 neutron), avec la création simultanée d'un positron et d'un neutrino, ce noyau de deutérium va à son tour fusionner avec un troisième proton pour ainsi former un noyau d'hélium-3 (2 protons, 1 neutron). L'énergie (sous forme de photons gamma) apparaissant dans l'équation, vient de la neutralisation du positron créé avec la rencontre d'un électron libre. C'est à partir de cet instant, qu'il existe deux chemins possibles :

• soit il y a deux noyaux d'hélium-3 s'associent pour donner un noyau d'hélium (2 protons, 2 neutrons), en relâchant les deux protons en trop, c'est cette réaction qui a lieu dans la plupart des cas.
• soit un noyau d'hélium-3 s'associe avec un noyau d'hélium pour donner un noyau de béryllium-7, qui va ensuite subir des transformations pour quand même donner deux noyaux d'hélium.

Dans n'importe qu'elle chemin, on aboutit quand même à la formation d'un noyau d'hélium avec quatre protons.
Ce qui fait qu'il y a 1038 chaînes qui se produisent toutes les secondes dans le noyau du Soleil, impliquant la transformation 600 millions de tonnes d'hydrogène en hélium dont 4 millions se transforment en énergie.

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