Objectifs

Le Programme National Soleil Terre (PNST) a pour mission l'étude du système Soleil-Terre depuis la génération et l'émergence du champ magnétique à la surface de notre étoile et les éruptions et éjections de matière qui lui sont associées, jusqu'aux effets sur la magnétosphère, l'ionosphère et la thermosphère terrestres, en passant par la dynamique du vent solaire. Le PNST fonctionne depuis 1997 et a été renouvelé en 2002, en 2006, en 2010 et en 2014. Il a été mis en place dans la continuité des GdRs Plasmae et Magnétodynamique Solaire et Stellaire (~200 chercheurs), avec pour objectif prioritaire de coordonner les efforts des deux communautés travaillant, l'une sur l'environnement ionisé de la Terre et l'autre sur l'atmosphère solaire. En optimisant l'exploitation des moyens nouveaux disponibles, ce regroupement avait pour but de favoriser l'étude de la physique globale des relations Soleil-Terre, à un moment où la météorologie de l'espace prenait son essor. Le PNST bénéficie du soutien du CNES pour les activités liées à l'exploitation scientifique de nombreuses expériences spatiales (par exemple SOHO, WIND, CLUSTER) et le programme est représenté lors des discussions du groupe thématique CNES Soleil-Héliosphère-Magnétosphère. Les grandes thématiques couvertes par le Programme National Soleil Terre concernent :

• L'étude du magnétisme solaire et de ses effets dans l'héliosphère depuis les basses couches de l'atmosphère du Soleil jusqu'au milieu interplanétaire : génération, émergence et évolution des champs magnétiques, dissipation magnétique et instabilités éruptives, mécanismes d'accélération des particules.
• L'étude de la structuration de la couronne solaire par le champ magnétique, de son chauffage, des instabilités à grande échelle, éjections de masse coronale, qui s'y développent et du couplage entre la couronne et l'héliosphère.
• La physique de la formation et du transport du vent solaire.
• L'étude de la structuration du vent solaire par le champ magnétique interplanétaire.
• L'étude de l'accélération et de la propagation des particules énergétiques dans l'héliosphère interne, ainsi que l'étude des émissions radio associées.
• L'étude de l'interaction entre le vent solaire et l'environnement terrestre et en particulier des interfaces engendrées, qui séparent des plasmas magnétisés de caractéristiques différentes (par exemple : choc d'étrave, magnétopause, ...).
• Via des mesures multi-points, l'étude des couches limites (choc, magnétopause/cornet polaire) et de la pénétration des particules solaires à travers le bouclier magnétique terrestre.
• L'étude de la dynamique de la magnétosphère terrestre et du déclenchement des sous-orages géomagnétiques.
• L'étude du couplage de la magnétosphère et de l'ionosphère, des processus d'accélération d'électrons et de génération d'ondes dans les zones aurorales.
• L'étude de la circulation (convection) à grande échelle du plasma ionosphérique et de son couplage avec le champ magnétique du milieu interplanétaire.
• La physique du couplage de l'atmosphère terrestre neutre avec l'ionosphère et l'étude des dépots d'énergie à hautes latitudes terrestres.
• L'étude coordonnée des relations Soleil-Terre dans le cadre de la météorologie de l'espace : analyse des mécanismes d'activité solaire avec pour objectif la compréhension des mécanismes de couplage avec l'héliosphère, la prévision de l'activité, cycle solaire, analyse de la propagation des perturbations solaires jusqu'à l'environnement terrestre.

Pour l'ensemble de ces objets, les principaux processus physiques élémentaires appartiennent au champ de la physique des plasmas, que ce soient les phénomènes de convection à grande échelle, le plus souvent traités par la magnétohydrodynamique, ou les processus de petite échelle tels que la reconnexion magnétique ou les mécanismes d'accélération de particules chargées. Les plasmas concernés passent de collisionnels pour les basses couches de l'atmosphère solaire à des milieux sans collision pour la couronne, le vent solaire et les plasmas magnétosphériques. La physique des milieux non collisionnels constitue donc une des bases théoriques communes pour la communauté PNST. Les connaissances acquises grâce à l'observation et l'analyse des données obtenues dans ces plasmas proches apportent des informations préciseuses pour l'étude d'autres objets moins accessibles. Les moyens expérimentaux incluent des observations in-situ (pour l'environnement terrestre) et des observations à distances : radars, spectroscopie, spectro-polarimétrie, imagerie etc... Les études menées au sein du Programme National Soleil Terre reposent également sur le développement de modélisations numériques (MHD, cinétiques ou hybrides) et sur l'analyse théorique des processus dissipatifs à petites échelles et de la turbulence.

L'étude de la génération du magnétisme solaire nécessite à la fois des mesures des écoulements à grande échelle et de la structuration magnétique de la photosphère ainsi que des mesures d'héliosismologie locale, l'étude de la tachocline et de son rôle dans le processus de génération du champ, thématiques à l'interface avec le Programme National de Physique Stellaire. Le Soleil n'étant pas la seule étoile magnétisée, le PNST étend le champ de ses thématiques à la comparaison du magnétisme solaire avec celui d'étoiles de type solaire. Les mesures de spectrographie et de polarimétrie stellaires ont en effet permis la détection directe de champ magnétique sur des étoiles froides ayant une zone convective de surface (de type solaire) mais aussi sur des étoiles chaudes entièrement convectives ou radiatives. Des manifestations d'activité de type solaire sont également observées sur certaines étoiles, liées à l'existence du champ magnétique et attribuées par analogie avec le Soleil à l'interaction entre plasma et champ magnétique. L'étude du magnétisme solaire et de ses effets de structuration de l'atmosphère froide (photosphère, chromosphère) et chaude (couronne) du soleil a des contre-parties stellaires liées entre autres à l'étude de certains types de magnétisme stellaire, des configurations magnétiques à grande échelle et de leur stabilité, de la formation de couronnes chaudes et de vents structurés. L'étude du magnétisme des étoiles très chaudes et de l'interaction de leur vent stellaire avec le champ magnétique fournit des informations complémentaires à celles obtenues sur le soleil sur les processus physiques qui mènent à la formation et au chauffage des couronnes stellaires.

Le Programme National Soleil-Terre a donc naturellement des interfaces avec le Programme National de Physique Stellaire (PNPS) pour la compréhension du magnétisme solaire et stellaire et pour la connexion entre structure interne et atmosphère solaires, et avec le Programme National de Planétologie (PNP) dont l'un des objectifs est l'étude de l'interaction du vent solaire avec les obstacles tels que les magnétosphères planétaires qu'il rencontre dans son expansion à l'intérieur de la cavité héliosphérique. L'étude de l'incidence de l'activité solaire sur le couplage de l'environnement ionisé terrestre avec l'atmosphère neutre de la Terre, l'existence de variations de l'irradiance et/ou du diamètre solaire et de leurs possibles influences sur l'environnement terrestre sont à l'interface du Programme National Soleil-Terre avec des programmes liés à l'environnement : Programme National de Chimie Atmosphérique (PNCA) et Programme National d'Etude de la Dynamique du Climat (PNEDC). Au-delà des sciences de l'Univers, le programme possède des liens avec d'autres domaines de la physique, tels que la physique atomique et nucléaire et, bien sûr, la physique des plasmas.