D’après cinq scientifiques japonais, dont l’astrophysicien Toshikazu Ebisuzaki, de l’Institut de science avancée RIKEN à Saitama, et le volcanologue Yasuhiro Ishimine, les éruptions volcaniques explosives sont provoquées par les rayons cosmiques. Ceux-ci sont composés de particules de très haute énergie voyageant dans l’espace interstellaire. Leurs collisions avec les molécules de l’atmosphère terrestre créent des gerbes de particules secondaires, dont des muons, qui sont des sortes d’électrons lourds. Leur durée de vie est de 2,2 microsecondes. Elle est brève mais suffisante, puisqu’ils se déplacent quasiment à la vitesse de la lumière, pour qu’ils pénètrent dans la croûte terrestre, à des centaines de mètres de profondeur, avant de se désintégrer.

Le bombardement de la Terre par les muons a un caractère périodique, puisque le Soleil a un cycle de 11 ans. Quand les taches solaires disparaissent, son activité est réduite, ce qui signifie que le vent solaire connaît une baisse d’intensité, or il protège la Terre des rayons cosmiques, dont le flux s’accroît de 10 à 20 %. Un plus grand nombre de muons pénètrent par conséquent dans la croûte terrestre, où ils peuvent déstabiliser les chambres magmatiques des volcans.

L’étude de Toshikazu Ebisuzaki a été publiée le 18 novembre 2010 dans la très sérieuse revue Gondwana Research. Les auteurs ont remarqué que parmi les 11 éruptions explosives qui se sont produites au Japon entre 1700 et 2005, 9 ont eu lieu pendant des minima solaires. C’est statistiquement significatif. Seuls les volcans dont les magmas sont riches en silice sont concernés. Ils sont très visqueux, si bien qu’ils ne peuvent pas s’écouler et que leur dégagement se fait de manière explosive. Ce sont des dacites ou des rhyolites. Les muons provoqueraient la formation de bulles (ou plutôt de vésicules) de vapeur d’eau dans un magma sursaturé en eau : la teneur eau dissoute est trop élevée, si bien qu’elle devrait s’exsolver, mais elle ne le fait pas. Les muons seraient le facteur déclenchant, en permettant d’abord l’apparition de microbulles. On parle de nucléation. La croissance des bulles dépend ensuite de la viscosité du magma et de la diffusion de l’eau encore dissoute dedans, vers la surface des bulles. C’est ce phénomène qui provoque l’éruption.

Le mont Usu sur l’ïle de Hokkaido. @ 663highland, Wikimedia Commons. C’est l’un des quatre volcans japonais ayant eu une éruption explosive depuis 306 ans. Les éruptions sous-marines ne sont pas prises en compte.

Les éruptions explosives projettent de gigantesques quantités de cendres dans l’atmosphère, qui peuvent faire le tour de la Terre, poussées par les vents. Il y a des répercussions sur le climat, puisque ces cendres voilent le Soleil et provoquent un bref refroidissement. Les conséquences de l’explosion du volcan philippin Pinatubo, le 15 juin 1991, ont été bien cernées. La colonne de cendres a atteint 34 kilomètres de haut, et s’est étalée dans la stratosphère. Ces nuages ont fait le tour du globe en 22 jours et ont provoqué un refroidissement de l’été 1992 de 2 °C dans l’hémisphère Nord. Toutefois, il y a eu un réchauffement de 3 °C durant les deux hivers suivants, à cause de l’absorption par les aérosols des infrarouges émis par la Terre. Le principe est le même que celui de l’effet de serre radiatif.

C’est ainsi que le cycle des taches solaires modulerait le climat de la Terre. Il y aurait plus d’éruptions explosives pendant les minima. Malgré le caractère sérieux de cette étude, elle est à prendre avec prudence. Les auteurs parlent de l’éruption du Pinatubo, la plus violente du XXe siècle. mais elle ne s’est pas produite pendant un minimum solaire. Ils l’attribuent au le typhon Yunya, correspondant à une zone de basse pression atmosphérique qui aurait rendu les Philippines plus exposées aux rayons cosmiques.

L’analyse des laves qui ont été émises ne confirme pas l’hypothèse de Toshikazu Ebisuzaki. Elles expliquent plutôt l’éruption par un mélange de magmas. Avant son déclenchement, la chambre contenait un magma dacitique plutôt froid. L’arrivée d’un magma basaltique beaucoup plus chaud a fait dissoudre des cristaux dans ce dernier, dont la viscosité a diminué. Ceci a permis son ascension vers la surface. À cette observation, il faut ajouter que le réveil du volcan a commencé dès le printemps 1991. Une hausse du flux de muons durant deux jours ne peut expliquer un processus aussi long et complexe.

Les auteurs de l’étude reconnaissent que leur conclusion est provisoire. Il faudra plus qu’une page de calculs pour prouver qu’un accroissement du flux de muons provoque bien une nucléation dans un magma riche en silice sursaturé. Ils n’ont considéré que des volcans japonais, ainsi que le Pinatubo. Les éruptions explosives de grande ampleur sont rares et le flux de muons est plus faible de 20 % aux basses latitudes qu’aux moyennes et hautes latitudes, à cause du champ magnétique terrestre. De plus, les variations de ce flux à l’équateur ne sont que d’environ 5 %, ce qui fait douter qu’elles puissent réellement jouer, or c’est dans les basses latitudes que se trouvent les plus actifs « volcans gris » (explosifs) de la Terre : ceux de l’Indonésie.

Ces remarques n’ont pas empêché les auteurs de supposer que les deux glaciations globales que la Terre a connues il y a entre 723 et 635 millions d’années (Terre « boule de neige »), ont été causées par des éruptions volcaniques, elles-mêmes provoquées par un taux élevé de formations d’étoiles dans notre galaxie. Les étoiles massives ont une durée de vie courte et explosent en supernovas, qui sont émettrices de rayons cosmiques. Les scientifiques ont proposé des causes plus vraisemblables à ces glaciations : elles correspondent à la dislocation du supercontinent Rodinia, dont les surfaces émergées entièrement dépourvues de végétation donnaient à la Terre un albédo élevé. L’érosion de grandes surfaces basaltiques situées à de basses latitudes a fait baisser le taux de dioxyde de carbone de l’atmosphère. C’est pour cette même raison que les ères glaciaires du Phanérozoïque se sont produites. Par ailleurs, comme le montre l’éruption du Pinatubo, le refroidissement induit par ce genre d’évènement est bref.

Les auteurs ont également noté que les trois tremblements de terre les plus destructeurs du Japon, en 1923, 1964 et 1995 ont eu lieu lors de minima solaires, en ajoutant que ce n’est pas statistiquement significatif et sans proposer aucun mécanisme pouvant lier les séismes à l’activité solaire.

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Toshikazu Ebisuzaki et al.,, Explosive volcanic eruptions triggered by cosmic rays: Volcano as a bubble chamber, Gondwana Research 19, 1054-1061, June 2011.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1342937X10001966