Un modèle basé sur la fragmentation
Une reconstruction de la TSI depuis 1874
MOCASSIM: un protocole de reconstruction de l'irradiance spectrale
Une reconstruction de l'irradiance spectrale depuis 1610
Figure 1: Variations temporelles de l'irradiance solaire totale, de 1978 au présent. La courbe en bleu clair correspond aux valeurs journalières, et le trait bleu foncé à une moyenne courante de largeur 81 jours. Les variations journalières marquées ne sont pas dues à des erreurs de mesures, mais représentent des variations véritables. Ces données sont produites et distribuées par le Physikalishes-Meteorologisches Observatorium de Davos (Suisse), à partir de plusieurs séries distinctes de mesures satellites. Les traits orange et rouges sont leurs équivalents, tels que produits par le modèle décrit plus loin, décalés vers le bas par 4 Watt par mètre carré pour fins de comparaison aux données.
Les observations ont démontré que les variations de la TSI
sur les échelles temporelles allant de la journée à la décennie peuvent
être expliquées par les variations de la couverture photosphériques
de ces diverses structures magnétiques. Cependant, aux plus longues
échelles temporelles il demeure possible que des processus internes,
comme une modulation de l'efficacité du
transport convectif de l'énergie,
par le cycle d'activité,
contribuent aux variations de la TSI.
Ce modèle exige la spécification d'un certain nombre de paramètres
ajustables, que nous évaluons en minimisant l'écart entre les séquences
temporelles de la TSI et de la couverture surfacique des taches dans
l'intervalle 1978-2007.
Il s'agit donc ici d'un problème d'optimization multimodal, multi-objectif et
partiellement stochastique. Nous le traitons à l'aide de l'algorithme
génétique
PIKAIA. Les traits orange/rouge sur
la Figure 1 sont un exemple d'une séquence temporelle de la TSI
produite par le modèle. Elle est remarquablement semblable aux
observations dans son comportement général, mais pas dans le détail
en raison de l'aspect stochastique de la fragmentation et de notre
traitement des émergences sur la face cachée.
Une fois les paramètres du modèle calibrés sur l'intervalle
1978-2007, il peut être utilisé pour reconstruire la TSI
ausi loin dans le passé que des observations de la couverture
surfacique des taches est disponible, soit 1874 pour les données
du Royal Greenwich Observatory. Le résultat de cet exercice
est porté en graphique sur la Figure 2 ci-dessous. Comme on
pouvait s'y attendre, les variations de la TSI suivent d'assez
près celles des taux d'émergence, elles-mêmes fortement
corrélées aux
variations de l'amplitude du cycle solaire mesurées en termes
du nombre de taches solaires.
Un algorithme génétique est utilisé pour
ajuster les divers paramètres du modèle aux séquences
temporelles d'irradiance spectrale produites par UARS/SOLSTICE.
Les éléments stochatiques du modèle,
notamment l'algorithme
d'émergence sur la face cachée rendent impossible une
reproduction précise de la variabilité spectrale observée
sur une base
journalière. Cependant, comme le démontre la
Figure 3 ci-dessous, MOCASSIM reproduit très bien
les variations se développant sur des échelles
temporelles supérieures à un mois, ainsi que les
distributions des fluctuations par rapport aux moyennes
mensuelles.
Qui travaille là-dessus dans le groupe:
Paul Charbonneau, Ashley Crouch,
Cassandra Bolduc.
Publications récentes du groupe sur ce sujet:
Un modèle basé sur la fragmentation
Notre but est de produire un modèle physique des variations
de la TSI. Plutôt que d'utiliser des corrélations empiriques entre
diverses classes de structures photosphériques, nous utilisons un modèle
physique simplifié pour faire le lien évolutif entre ces structures.
Nous débutons par le fait, bien observé, que les taches solaires
se fragmentent et se désaggrègent au cours de leur évolution,
et ce faisant libèrent un grand nombre de plus petites structures
magnétiques dans la photosphère. Nous modélisons ce processus
à l'aide d'un algorithme de fragmentation stochastique, auquel s'ajoute
un processus d'érosion des taches (également observé).
À partir des données observationelles de l'émergence des taches
et régions actives,
nous injectons les taches solaires sur une représentation simulée
de la surface du soleil. L'application de nos algorithmes de fragmentation
et érosion produit ainsi une distribution, évoluant dans le temps,
des tailles des structures magnétiques photosphériques. Il s'agit ensuite
de convoluer cette distribution avec une courbe semi-empirique du contraste
en luminosité de ces structures en fonction de leur taille, pour produire
une séquence temporelle de la TSI. Nous devons également introduire
(de manière encore une fois stochastique) les émergences se produisant
sur la face cachée du soleil.
Une reconstruction de la TSI depuis 1874
Figure 2:
Variation temporelle de l'irradiance solaire totale
de 1874 au présent, telles que reconstruite par notre modèle
physique. Le trait orange correspond aux valeurs journalières
pour une solution représentative,
le trait rouge à la moyenne +/- un sigma de 1000 reconstructions
utilisant les paramètres du modèle optimal.
Cette reconstruction suppose
une émissivité de la photosphère
non-magnétisée qui est constante dans le temps.
MOCASSIM: un protocole de reconstruction de l'irradiance spectrale
Le protocole de reconstruction MOCASSIM
(MOnte CArlo Solar Spectral Irradiance Model) est une version
à quatre composantes du modèle de l'IST
décrit précédemment,
ciblé à l'ultraviolet rapproché et moyen (150-400nm).
MOCASSIM part du spectre ATLAS-3 en période de très faible
activité, et utilise un rapport de deux spectres synthétiques
a 5250 et 5750K pour calculer le contraste monochromatique
des taches. Celle des facules est calculée à l'aide d'une
inversion basée sur la formule du corps noir, et la contribution
du réseau est ajoutée sous la forme d'une émissivité
stochastique. Les reconstructions sont poussées jusqu'à 1610,
par l'utilisation d'une simulation Monte Carlo des émergences
utilisant la séquence du nombre de taches en entrée.
Une modulation de l'émissivité de la photosphère
non-magnétisée est également incluse, basée
sur la reconstruction de l'IST de Tapping et al. (2007).
Figure 3:
Gauche: Séquence temporelle de l'irradiance spectrale
à 210 nm, telle
que reconstruite par MOCASSIM (en vert) sur l'intervalle
1992-2001 couvert par les observations de UARS/SOLSTICE
(en rouge). La figure de droite montre les distributions
correspondantes des résidus photométriques par
rapport à une moyenne courante de 81 jours.
On constate ainsi que la reconstruction capture bien
les variations sur des échelles temporelles allant
du mensuel au décadal, ainsi que le patron
statistique des variations à plus court terme.
Une reconstruction de l'irradiance spectrale depuis 1610
Dans sa forme actuelle, MOCASSIM permet la reconstruction de spectres
et de séquences temporelles d'irradiance spectrale dans le
domaine 150 à 400 nm, et remontant jusqu'en 1610, soit le début
des observations téléscopiques des taches solaires.
La Figure 4 montre deux exemples de reconstructions à 180
et 370 nm. On note que durant le Minimum de Maunder
(1645-1705), l'émissivité demeure nettement au dessus
de la contribution de la photosphère (trait vert), même
si peu ou pas d'éemergences de taches se produisent. Ceci
est du au réseau, donc la contribution chute cependant
rapidement à plus hautes longueurs d'onde,
et devient imperceptible à 370 nm.
Figure 4:
Deux reconstruction de l'irradiance spectrale dans l'ultraviolet,
débutant en 1610.
Sur chaque graphique, le trait vert montre la variation de la
contribution de la photosphère
non-magnétisée, calculée
à partir de la reconstruction de l'IST de Tapping et al. (2007).
Le trait noir représente la moyenne de 10 reconstructions,
chacune utilisant une réalisation stochastique distincte
des émergences de taches.
Les traits rouge et bleu indiquent les valeurs max/min
associées à cet ensemble de 10 reconstructions
statistiquement indépendantes.
Dernières modifications le 24 octobre 2012 par
paulchar@astro.umontreal.ca.
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