Étude du système binaire CV Ser à l'aide du satellite MOST

Ce mémoire s’intéresse au système binaire massif CV Serpentis, composé d’une Wolf- Rayet riche en carbone et d’une étoile de la séquence principale, de type spectral O (WC8d + O8-9IV). D’abord, certains phénomènes affectant les étoiles massives sont mentionnés, de leur passage sur la séquence principale à leur mort (supernova). Au cours du premier cha- pitre, un rappel est fait concernant certaines bases de l’astrophysique stellaire observa- tionnelle (diagramme Hertzsprung-Russell, phases évolutives, etc...). Au chapitre suivant, un des aspects les plus importants de la vie des étoiles massives est abordé : la perte de masse sous forme de vents stellaires. Un historique de la découverte des vents ouvre le chapitre, suivi des fondements théoriques permettant d’expliquer ce phénomène. Ensuite, différents aspects propres aux vents stellaires sont présentés. Au troisième chapitre, un historique détaillé de CV Ser est présenté en guise d’introduc- tion à cet objet singulier. Ses principales caractéristiques connues y sont mentionnées. Finalement, le cœur de ce mémoire se retrouve au chapitre 4. Des courbes de lumière ultra précises du satellite MOST (2009 et 2010) montrent une variation apparente du taux de perte de masse de la WR de l’ordre de 62% sur une période orbitale de 29.701 jours. L’analyse des résidus permet de trouver une signature suggérant la présence de régions d’interaction en corotation (en anglais corotating interaction regions, ou CIR) dans le vent WR. Une nouvelle solution orbitale est présentée ainsi que les paramètres de la région de collision des vents et les types spectraux sont confirmés.

Étude observationnelle de la collision des vents dans les systèmes Wolf-Rayet+O

Nous présentons les résultats de trois campagnes d'observation d'un mois chacune dans le cadre de l'étude de la collision des vents dans les systèmes binaires Wolf-Rayet + OB. Ce travail se concentre sur l'étude des objets de l'hémisphère sud n'ayant jamais encore fait l'objet d'études poussées dans ce contexte. À cela, nous avons ajouté l'objet archétype pour ce type de systèmes : WR 140 (WC7pd + O5.5fc) qui a effectué son dernier passage périastre en janvier 2009. Les deux premières campagnes (spectroscopiques), ont permis une mise à jour des éléments orbitaux ainsi qu'une estimation de la géométrie de la zone de collision des vents et d'autres paramètres fondamentaux des étoiles pour 6 systèmes binaires : WR 12 (WN8h), 21 (WN5o+O7V), 30 (WC6+O7.5V), 31 (WN4o+O8), 47 (WN6o+O5) et 140. Une période non-orbitale courte (probablement reliée à la rotation) a également été mesurée pour un des objets : WR 69 (WC9d+OB), avec une période orbitale bien plus grande. La troisième campagne (photométrique) a révélé une variabilité étonnamment faible dans un échantillon de 20 étoiles WC8/9. Cela supporte l'idée que les pulsations ne sont pas courantes dans ce type d'étoiles et qu'il est peu probable que celles-ci soient le mécanisme dominant de formation de poussière, suggérant, par défaut, le rôle prédominant de la collision des vents.

Détection et caractérisation de naines brunes et exoplanètes avec un filtre accordable pour applications dans l'espace

Cette thèse porte sur la capacité à détecter des compagnons de faible intensité en présence de bruit de tavelures dans le contexte de l’imagerie à haute gamme dynamique pour l’astronomie spatiale. On s’intéressera plus particulièrement à l’imagerie spectrale différentielle (ISD) obtenue en utilisant un étalon Fabry-Pérot comme filtre accordable. Les performances d’un tel filtre accordable sont présentées dans le cadre du Tunable Filter Imager (TFI), instrument conçu pour le télescope spatial James Webb (JWST). La capacité de l’étalon à supprimer les tavelures avec ISD est démontrée expérimentalement grâce à un prototype de l’étalon installé sur un banc de laboratoire. Les améliorations de contraste varient en fonction de la séparation, s’étendant d’un facteur 10 pour les séparations supérieures à 11 lambda/D jusqu’à un facteur 60 à 5 lambda/D. Ces résultats sont cohérents avec une étude théorique qui utilise un modèle basé sur la propagation de Fresnel pour montrer que les performances de suppression de tavelures sont limitées par le banc optique et non pas par l’étalon. De plus, il est démontré qu’un filtre accordable est une option séduisante pour l’imagerie à haute gamme dynamique combinée à la technique ISD. Une seconde étude basée sur la propagation de Fresnel de l’instrument TFI et du télescope, a permis de définir les performances de la technique ISD combinée avec un étalon pour l’astronomie spatiale. Les résultats prévoient une amélioration de contraste de l’ordre de 7 jusqu’à 100, selon la configuration de l’instrument. Une comparaison entre ISD et la soustraction par rotation a également été simulée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre porte sur les performances de la technique ISD dans le cadre de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), conçu pour remplacer TFI comme module scientifique à bord du Fine Guidance Sensor du JWST. Cent quatre objets localisés vers la région centrale de la nébuleuse d’Orion ont été caractérisés grâce à un spectrographe multi-objet, de basse résolution et multi-bande (0.85-2.4 um). Cette étude a relevé 7 nouvelles naines brunes et 4 nouveaux candidats de masse planétaire. Ces objets sont utiles pour déterminer la fonction de masse initiale sous-stellaire et pour évaluer les modèles atmosphériques et évolutifs futurs des jeunes objets stellaires et sous-stellaires. Combinant les magnitudes en bande H mesurées et les valeurs d’extinction, les objets classifiés sont utilisés pour créer un diagramme de Hertzsprung-Russell de cet amas stellaire. En accord avec des études antérieures, nos résultats montrent qu’il existe une seule époque de formation d’étoiles qui a débuté il y a environ 1 million d’années. La fonction de masse initiale qui en dérive est en accord avec des études antérieures portant sur d’autres amas jeunes et sur le disque galactique.

Rapport M/L de disques de galaxies issus de modèles CSPE et contrôle des contraintes mécaniques dans la conception de revêtements optiques

La thèse qui suit est organisée en deux volets: un premier volet portant sur les modèles de masse de galaxies et un second volet sur la conception de revêtements optiques et le contrôle de leurs propriétés mécaniques. Les modèles de masse présentés dans cette thèse ont été réalisés sur un sous-échantillon de dix galaxies de l'étude SINGS comprenant neuf galaxies normales et une galaxie naine. Ce travail visait à fixer le rapport masse-luminosité du disque à tout rayon en utilisant les résultats de modèles d'évolution galactique chimio-spectrophotométriques ajustés spécifiquement à chaque galaxie grâce à son profil de photométrie multi-bandes. Les résultats montrent que les disques stellaires tels que normalisés par les rapports masse-luminosité issus des modèles ont des masses cohérentes dans toutes les bandes étudiées de l'ultra-violet, du visible ainsi que du proche infrarouge (bandes FUV à IRAC2). Ces disques peuvent être considérés comme maximaux par rapport aux données cinématiques des galaxies étudiées. Ceci est dû au fait que le rapport M/L est plus élevé au centre que sur les bords. Les disques étant maximaux et physiquement justifiés, on ne peut dès lors ignorer les effets de composants tels que les bulbes ou les barres et les corrections nécessaires doivent être apportées aux profils de luminosité et de vitesses de rotation de la galaxie. Dans les travaux de la seconde partie, le logiciel en développement libre OpenFilters a été modifié afin de tenir compte des contraintes mécaniques dans la conception numérique de revêtements optiques. Les contraintes mécaniques dans les couches minces ont un effet délétère sur leurs performances optiques. Un revêtement destiné à rendre réflectives les lames d'un étalon Fabry-Perot utilisé en astronomie a été conçu et fabriqué afin d'évaluer les performances réelles de la méthode. Ce cas a été choisi à cause de la diminution de la finesse d'un étalon Fabry-Perot apporté par la courbure des lames sous l'effet des contraintes. Les résultats montrent que les mesures concordent avec les modèles numériques et qu'il est donc possible à l'aide de ce logiciel d'optimiser les revêtements pour leur comportement mécanique autant que pour leurs propriétés optiques.

Recherche et caractérisation des étoiles jeunes de faible masse dans le voisinage solaire

L'outil développé dans le cadre de cette thèse est disponible à l'adresse suivante: www.astro.umontreal.ca/~malo/banyan.php

Relevé spectroscopique et étude des propriétés physiques des étoiles naines blanches à moins de 40 parsecs du Soleil

Les étoiles naines blanches représentent la fin de l’évolution de 97% des étoiles de notre galaxie, dont notre Soleil. L’étude des propriétés globales de ces étoiles (distribution en température, distribution de masse, fonction de luminosité, etc.) requiert l’élaboration d’ensembles statistiquement complets et bien définis. Bien que plusieurs relevés d’étoiles naines blanches existent dans la littérature, la plupart de ceux-ci souffrent de biais statistiques importants pour ce genre d’analyse. L’échantillon le plus représentatif de la population d’étoiles naines blanches demeure à ce jour celui défini dans un volume complet, restreint à l’environnement immédiat du Soleil, soit à une distance de 20 pc (∼ 65 années-lumière) de celui-ci. Malheureusement, comme les naines blanches sont des étoiles intrinsèquement peu lumineuses, cet échantillon ne contient que ∼ 130 objets, compromettant ainsi toute étude statistique significative. Le but de notre étude est de recenser la population d’étoiles naines blanches dans le voisinage solaire a une distance de 40 pc, soit un volume huit fois plus grand. Nous avons ainsi entrepris de répertorier toutes les étoiles naines blanches à moins de 40 pc du Soleil à partir de SUPERBLINK, un vaste catalogue contenant le mouvement propre et les données photométriques de plus de 2 millions d’étoiles. Notre approche est basée sur la méthode des mouvements propres réduits qui permet d’isoler les étoiles naines blanches des autres populations stellaires. Les distances de toutes les candidates naines blanches sont estimées à l’aide de relations couleur-magnitude théoriques afin d’identifier les objets se situant à moins de 40 pc du Soleil, dans l’hémisphère nord. La confirmation spectroscopique du statut de naine blanche de nos ∼ 1100 candidates a ensuite requis 15 missions d’observations astronomiques sur trois grands télescopes à Kitt Peak en Arizona, ainsi qu’une soixantaine d’heures allouées sur les télescopes de 8 m des observatoires Gemini Nord et Sud. Nous avons ainsi découvert 322 nouvelles étoiles naines blanches de plusieurs types spectraux différents, dont 173 sont à moins de 40 pc, soit une augmentation de 40% du nombre de naines blanches connues à l’intérieur de ce volume. Parmi ces nouvelles naines blanches, 4 se trouvent probablement à moins de 20 pc du Soleil. De plus, nous démontrons que notre technique est très efficace pour identifier les étoiles naines blanches dans la région peuplée du plan de la Galaxie. Nous présentons ensuite une analyse spectroscopique et photométrique détaillée de notre échantillon à l’aide de modèles d’atmosphère afin de déterminer les propriétés physiques de ces étoiles, notamment la température, la gravité de surface et la composition chimique. Notre analyse statistique de ces propriétés, basée sur un échantillon presque trois fois plus grand que celui à 20 pc, révèle que nous avons identifié avec succès les étoiles les plus massives, et donc les moins lumineuses, de cette population qui sont souvent absentes de la plupart des relevés publiés. Nous avons également identifié plusieurs naines blanches très froides, et donc potentiellement très vieilles, qui nous permettent de mieux définir le côté froid de la fonction de luminosité, et éventuellement l’âge du disque de la Galaxie. Finalement, nous avons aussi découvert plusieurs objets d’intérêt astrophysique, dont deux nouvelles étoiles naines blanches variables de type ZZ Ceti, plusieurs naines blanches magnétiques, ainsi que de nombreux systèmes binaires non résolus.

A study of the large-scale structure of the wind of WR 134

Diverses méthodes ont été utilisées pour étudier les étoiles Wolf-Rayet (WR) dans le but de comprendre les phénomènes physiques variés qui prennent place dans leur vent dense. Pour étudier la variabilité qui n'est pas strictement périodique et ayant des caractéristiques différentes d'une époque à l'autre, il faut observer pendant des périodes de temps suffisamment longues en adopter un échantillonnage temporel élevé pour être en mesure d'identifier les phénomènes physiques sous-jacents. À l'été 2013, des astronomes professionnels et amateurs du monde entier ont contribué à une campagne d'observation de 4 mois, principalement en spectroscopie, mais aussi en photométrie, polarimétrie et en interférométrie, pour observer les 3 premières étoiles Wolf-Rayet découvertes: WR 134 (WN6b), WR 135 (WC8) et WR 137 (WC7pd + O9). Chacune de ces étoiles est intéressante à sa manière, chacune présentant une variété différente de structures dans son vent. Les données spectroscopiques de cette campagne ont été réduites et analysées pour l'étoile présumée simple WR 134 pour mieux comprendre le comportement de sa variabilité périodique à long terme dans le cadre d'une étude des régions d'interactions en corotation (CIRs) qui se retrouvent dans son vent. Les résultats de cette étude sont présentés dans ce mémoire.

Analysis of Fluctuations in the Early Universe Using Fokker-Planck Formalism

The thesis begins with a review of basic elements of general theory of relativity (GTR) which forms the basis for the theoretical interpretation of the observations in cosmology. The first chapter also discusses the standard model in cosmology, namely the Friedmann model, its predictions and problems. We have also made a brief discussion on fractals and inflation of the early universe in the first chapter. In the second chapter we discuss the formulation of a new approach to cosmology namely a stochastic approach. In this model, the dynam ics of the early universe is described by a set of non-deterministic, Langevin type equations and we derive the solutions using the Fokker—Planck formalism. Here we demonstrate how the problems with the standard model, can be eliminated by introducing the idea of stochastic fluctuations in the early universe. Many recent observations indicate that the present universe may be approximated by a many component fluid and we assume that only the total energy density is conserved. This, in turn, leads to energy transfer between different components of the cosmic fluid and fluctuations in such energy transfer can certainly induce fluctuations in the mean to factor in the equation of state p = wp, resulting in a fluctuating expansion rate for the universe. The third chapter discusses the stochastic evolution of the cosmological parameters in the early universe, using the new approach. The penultimate chapter is about the refinements to be made in the present model, by means of a new deterministic model The concluding chapter presents a discussion on other problems with the conventional cosmology, like fractal correlation of galactic distribution. The author attempts an explanation for this problem using the stochastic approach.

Effect of management strategies on the performance of ruminant livestock production systems and the safety of plant and animal products in the city of Sikasso, Mali

The regional population growth in West Africa, and especially its urban centers, will bring about new and critical challenges for urban development policy, especially in terms of ensuring food security and providing employment for the growing population. (Peri-) urban livestock and vegetable production systems, which can contribute significantly to these endeavours, are limited by various constraints, amongst them limited access to expensive production factors and their (in)efficient use. To achieve sustainable production systems with low consumer health risks, that can meet the urban increased demand, this doctoral thesis determined nutrient use efficiencies in representative (peri-) urban livestock production systems in three West African cities, and investigated potential health risks for consumers ensuing from there. The field study, which was conducted during July 2007 to December 2009, undertook a comparative analysis of (peri-) urban livestock production strategies across 210 livestock keeping households (HH) in the three West African cities of Kano/Nigeria (84 HH), Bobo Dioulasso/Burkina Faso (63 HH) and Sikasso/Mali (63 HH). These livestock enterprises were belonging to the following three farm types: commercial gardening plus field crops and livestock (cGCL; 88 HH), commercial livestock plus subsistence field cropping (cLsC; 109 HH) and commercial gardening plus semi-commercial livestock (cGscL; 13 HH) which had been classified in a preceding study; they represented the diversity of (peri-) urban livestock production systems in West Africa. In the study on the efficiency of ruminant livestock production, lactating cowsand sheep herd units were differentiated based on whether feed supplements were offered to the animals at the homestead (Go: grazing only; Gsf: mainly grazing plus some supplement feeding). Inflows and outflows of nutrients were quantified in these herds during 18 months, and the effects of seasonal variations in nutrient availability on animals’ productivity and reproductive performance was determined in Sikasso. To assess the safety of animal products and vegetables, contamination sources of irrigated lettuce and milk with microbiological contaminants, and of tomato and cabbage with pesticide residues in (peri-) urban agriculture systems of Bobo Dioulasso and Sikasso were characterized at three occasions in 2009. Samples of irrigation water, organic fertilizer and ix lettuce were collected in 6 gardens, and samples of cabbage and tomato in 12 gardens; raw and curdled milk were sampled in 6 dairy herds. Information on health risks for consumers of such foodstuffs was obtained from 11 health centers in Sikasso. In (peri-) urban livestock production systems, sheep and goats dominated (P<0.001) in Kano compared to Bobo Dioulasso and Sikasso, while cattle and poultry were more frequent (P<0.001) in Bobo Dioulasso and Sikasso than in Kano. Across cities, ruminant feeding relied on grazing and homestead supplementation with fresh grasses, crop residues, cereal brans and cotton seed cake; cereal grains and brans were the major ingredients of poultry feeds. There was little association of gardens and livestock; likewise field cropping and livestock were rarely integrated. No relation existed between the education of the HH head and the adoption of improved management practices (P>0.05), but the proportion of HH heads with a long-term experience in (peri-) urban agriculture was higher in Kano and in Bobo Dioulasso than in Sikasso (P<0.001). Cattle and sheep fetched highest market prices in Kano; unit prices for goats and chicken were highest in Sikasso. Animal inflow, outflow and dairy herd growth rates were significantly higher (P<0.05) in the Gsf than in the Go cattle herds. Maize bran and cottonseed expeller were the main feeds offered to Gsf cows as dry-season supplement, while Gsf sheep received maize bran, fresh grasses and cowpea pods. The short periodic transhumance of Go dairy cows help them maintaining their live weight, whereas Gsf cows lost weight during the dry season despite supplement feeding at a rate of 1506 g dry matter per cow and day, resulting in low productivity and reproductive performance. The daily live weight gains of calves and lambs, respectively, were low and not significantly different between the Go and the Gsf system. However, the average live weight gains of lambs were significantly higher in the dry season (P<0.05) than in the rainy season because of the high pressure of gastrointestinal parasites and of Trypanosoma sp. In consequence, 47% of the sheep leaving the Go and Gsf herds died due to diseases during the study period. Thermo-tolerant coliforms and Escherichia coli contamination levels of irrigation water significantly exceeded WHO recommendations for the unrestricted irrigation of vegetables consumed raw. Microbial contamination levels of lettuce at the farm gate and the market place in Bobo Dioulasso and at the farm gate in Sikasso were higher than at the market place in Sikasso (P<0.05). Pesticide residues were detected in only one cabbage and one tomato sample and were below the maximum residue limit for consumption. Counts of thermo-tolerant coliforms and Escherichia coli were higher in curdled than in raw milk (P<0.05). From 2006 to x 2009, cases of diarrhea/vomiting and typhoid fever had increased by 11% and 48%, respectively, in Sikasso. For ensuring economically successful and ecologically viable (peri-) urban livestock husbandry and food safety of (peri-) urban foodstuffs of animal and plant origin, the dissemination and adoption of improved feeding practices, livestock healthcare and dung management are key. In addition, measures fostering the safety of animal products and vegetables including the appropriate use of wastewater in (peri-) urban agriculture, restriction to approve vegetable pesticides and the respect of their latency periods, and passing and enforcement of safety laws is required. Finally, the incorporation of environmentally sound (peri-) urban agriculture in urban planning by policy makers, public and private extension agencies and the urban farmers themselves is of utmost importance. To enable an efficient (peri-) urban livestock production in the future, research should concentrate on cost-effective feeding systems that allow meeting the animals’ requirement for production and reproduction. Thereby focus should be laid on the use of crop-residues and leguminous forages. The improvement of the milk production potential through crossbreeding of local cattle breeds with exotic breeds known for their high milk yield might be an accompanying option, but it needs careful supervision to prevent the loss of the local trypanotolerant purebreds.

The environmental impact of civil conflict : the deforestation effect of paramilitary expansion in Colombia

Despite a growing body of literature on how environmental degradation can fuel civil war, the reverse effect, namely that of conflict on environmental outcomes, is relatively understudied. From a theoretical point of view this effect is ambiguous, with some forces pointing to pressures for environmental degradation and some pointing in the opposite direction. Hence, the overall effect of conflict on the environment is an empirical question. We study this relationship in the case of Colombia. We combine a detailed satellite-based longitudinal dataset on forest cover across municipalities over the period 1990-2010 with a comprehensive panel of conflict-related violent actions by paramilitary militias. We first provide evidence that paramilitary activity significantly reduces the share of forest cover in a panel specification that includes municipal and time fixed effects. Then we confirm these findings by taking advantage of a quasi-experiment that provides us with an exogenous source of variation for the expansion of the paramilitary. Using the distance to the region of Urab´a, the epicenter of such expansion, we instrument paramilitary activity in each cross-section for which data on forest cover is available. As a falsification exercise, we show that the instrument ceases to be relevant after the paramilitaries largely demobilized following peace negotiations with the government. Further, after the demobilization the deforestation effect of the paramilitaries disappears. We explore a number of potential mechanisms that may explain the conflict-driven deforestation, and show evidence suggesting that paramilitary violence generates large outflows of people in order to secure areas for growing illegal crops, exploit mineral resources, and engage in extensive agriculture. In turn, these activities are associated with deforestation.

Basin-scale hydrodynamics in a Mediterranean reservoir. Implications for the phytoplankton dynamics

Procesos hidrodinámicos determinan, en un alto grado la calidad del agua en embalse, sin embargo dichos procesos han sido tradicionalmente olvidados en la gestión de embalse. En esta tesis se presentan evidencias de los principales procesos hidrodinámicos que ocurren en un embalse Mediterráneo a escala de cuenca a través de campañas experimentales y modelización numérica; y su influencia en la dinámica de poblaciones de fitoplancton. Dichos procesos son principalmente la generación de ondas internas o secas y la intrusión del río. La presencia de viento periódico genera secas forzadas, amplificando los modos cercanos al periodo del viento, de manera que modos verticales altos, considerados como raros en la naturaleza, tienden a dominar en el sistema.

Structure of turbulent flow over arrays of cubical roughness

The structure of turbulent flow over large roughness consisting of regular arrays of cubical obstacles is investigated numerically under constant pressure gradient conditions. Results are analysed in terms of first- and second-order statistics, by visualization of instantaneous flow fields and by conditional averaging. The accuracy of the simulations is established by detailed comparisons of first- and second-order statistics with wind-tunnel measurements. Coherent structures in the log region are investigated. Structure angles are computed from two-point correlations, and quadrant analysis is performed to determine the relative importance of Q2 and Q4 events (ejections and sweeps) as a function of height above the roughness. Flow visualization shows the existence of low-momentum regions (LMRs) as well as vortical structures throughout the log layer. Filtering techniques are used to reveal instantaneous examples of the association of the vortices with the LMRs, and linear stochastic estimation and conditional averaging are employed to deduce their statistical properties. The conditional averaging results reveal the presence of LMRs and regions of Q2 and Q4 events that appear to be associated with hairpin-like vortices, but a quantitative correspondence between the sizes of the vortices and those of the LMRs is difficult to establish; a simple estimate of the ratio of the vortex width to the LMR width gives a value that is several times larger than the corresponding ratio over smooth walls. The shape and inclination of the vortices and their spatial organization are compared to recent findings over smooth walls. Characteristic length scales are shown to scale linearly with height in the log region. Whilst there are striking qualitative similarities with smooth walls, there are also important differences in detail regarding: (i) structure angles and sizes and their dependence on distance from the rough surface; (ii) the flow structure close to the roughness; (iii) the roles of inflows into and outflows from cavities within the roughness; (iv) larger vortices on the rough wall compared to the smooth wall; (v) the effect of the different generation mechanism at the wall in setting the scales of structures.

Solar modulation in surface atmospheric electricity

The solar wind modulates the flux of galactic cosmic rays impinging on Earth inversely with solar activity. Cosmic ray ionisation is the major source of air’s electrical conductivity over the oceans and well above the continents. Differential solar modulation of the cosmic ray energy spectrum modifies the cosmic ray ionisation at different latitudes,varying the total atmospheric columnar conductance. This redistributes current flow in the global atmospheric electrical circuit, including the local vertical current density and the related surface potential gradient. Surface vertical current density and potential gradient measurements made independently at Lerwick Observatory,Shetland,from 1978 to 1985 are compared with modelled changes in cosmic ray ionisation arising from solar activity changes. Both the lower troposphere atmospheric electricity quantities are significantly increased at cosmic ray maximum(solar minimum),with a proportional change greater than that of the cosmic ray change.

Solar induced climate effects

Solar electromagnetic radiation powers Earth’s climate system and, consequently, it is often naively assumed that changes in this solar output must be responsible for changes in Earth’s climate. However, the Sun is close to a blackbody radiator and so emits according to its surface temperature and the huge thermal time constant of the outer part of the Sun limits the variability in surface temperature and hence output. As a result, on all timescales of interest, changes in total power output are limited to small changes in effective surface temperature (associated with magnetic fields) and potential, although as yet undetected, solar radius variations. Larger variations are seen in the UV part of the spectrum which is emitted from the lower solar atmosphere (the chromosphere) and which influences Earth’s stratosphere. There is interest in“top-down” mechanisms whereby solar UV irradiance modulates stratospheric temperatures and winds which, in turn, may influence the underlying troposphere where Earth’s climate and weather reside. This contrasts with “bottom-up” effects in which the small total solar irradiance (dominated by the visible and near-IR) variations cause surface temperature changes which drive atmospheric circulations. In addition to these electromagnetic outputs, the Sun modulates energetic particle fluxes incident on the Earth. Solar Energetic Particles (SEP) are emitted by solar flares and from the shock fronts ahead of supersonic (and super-Alfvenic) ejections of material from the solar atmosphere. These SEPs enhance the destruction of polar stratospheric ozone which could be an additional form of top-down climate forcing. Even more energetic are Galactic Cosmic Rays (GCRs). These particles are not generated by the Sun, rather they originate at the shock fronts emanating from violent galactic events such as supernovae explosions; however, the expansion of the solar magnetic field into interplanetary space means that the Sun modulates the number of GCRs reaching Earth. These play a key role in enabling Earth’s global electric (thunderstorm) circuit and it has been proposed that they also modulate the formation of clouds. Both electromagnetic and corpuscular solar effects are known to vary over the solar magnetic cycle which is typically between 10 and 14 yrs in length (with an average close to 11 yrs). The solar magnetic field polarity at any one phase of one of these activity cycles is opposite to that at the same phase of the next cycle and this influences some phenomena, for example GCRs, which therefore show a 22 yr (“Hale”) cycle on average. Other phenomena, such as irradiance modulation, do not depend on the polarity of the magnetic field and so show only the basic 11-yr activity cycle. However, any effects on climate are much more significant for solar drifts over centennial timescales. This chapter discusses and evaluates potential effects on Earth’s climate system of variations in these solar inputs. Because of the great variety of proposed mechanisms, the wide range of timescales studied (from days to millennia) and the many debates (often triggered by the application of inadequate statistical methods), the literature on this subject is vast, complex, divergent and rapidly changing: consequently the number of references cited in this review is very large (yet still only a small fraction of the total).

Solar influences on climate

Understanding the influence of solar variability on the Earth’s climate requires knowledge of solar variability, solar-terrestrial interactions and the mechanisms determining the response of the Earth’s climate system. We provide a summary of our current understanding in each of these three areas. Observations and mechanisms for the Sun's variability are described, including solar irradiance variations on both decadal and centennial timescales and their relation to galactic cosmic rays. Corresponding observations of variations of the Earth’s climate on associated timescales are described, including variations in ozone, temperatures, winds, clouds, precipitation and regional modes of variability such as the monsoons and the North Atlantic Oscillation. A discussion of the available solar and climate proxies is provided. Mechanisms proposed to explain these climate observations are described, including the effects of variations in solar irradiance and of charged particles. Finally, the contribution of solar variations to recent observations of global climate change are discussed.