Les centres de météorologie spatiale

27/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2014-2:19643
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Les centres de météorologie spatiale

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66 REE N°2/2014 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT André Deschamps Ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris Introduction On peut s’interroger sur cette curieuse association de mots qui relie les phénomènes terrestres que sont les météores avec des phénomènes essentiellement radiatifs qui intéressent principalement l’espace inter- planétaire hors de la Terre. Cependant, c’est ainsi et nous adopterons cette terminologie internationale. La météorologie de l’espace possède un certain nombre de points communs avec la météorologie terrestre. Dans les deux cas, l’objectif est de surveiller notre environnement pour en prédire l’évolution dans des buts économiques, scientifiques et stratégiques. Notre environnement s’est simplement étendu à l’es- pace interplanétaire. Pourquoi une météorologie spatiale ? La météorologie spatiale est un terme qui a été créé ces dernières années pour désigner une série de processus physiques émanant du Soleil et qui peuvent affecter les activités humaines sur Terre et dans l’espace. La définition de cette science donnée dans le por- tail européen de la météorologie de l’espace est : « La météorologie de l’espace est la discipline qui traite de l’état physique et phénoménologique des environ- nements spatiaux naturels. Au moyen de l’observa- tion, la surveillance, l’analyse et la modélisation, elle vise plusieurs objectifs : d’une part, comprendre et prévoir l’état du Soleil et des environnements inter- planétaire ou planétaire, ainsi que les perturbations qui les affectent, qu’elles soient d’origine solaire ou non ; et d’autre part, analyser en temps réel ou pré- voir d’éventuels effets sur les systèmes biologiques et technologiques ». Le Soleil émet de l’énergie sous forme d’érup- tions, de radiations électromagnétiques de parti- cules électrisées, d’éjection de matière coronale et de courants de plasma. En s’éloignant du Soleil, ces particules créent le vent solaire et déplacent avec elles une partie du champ magnétique du Soleil. Les radiations électromagnétiques voyagent à la vitesse de la lumière et prennent environ huit minutes pour franchir la distance entre le Soleil et la Terre, tandis que les particules électrisées voyagent plus lentement et peuvent prendre de quelques heures à plusieurs jours pour parcourir la même distance. Les radiations et les particules interagissent avec le champ magnétique de la Terre, provoquant l’accu- mulation de particules énergétiques et la circulation de courants électriques dans différentes régions de l’exosphère. Cela peut causer des variations géoma- gnétiques, des aurores, et peut affecter différents outils technologiques. Petit raccourci historique La météorologie terrestre est très ancienne, mais ce n’est qu’à partir de la seconde moitié du XIXe siècle qu’elle devient un service opérationnel scientifique. Elle a pris un essor rapide dans les années 1920 quand les premiers théoriciens ont établi les bases scientifiques de la discipline. Les centres de météorologie spatiale Space Weather is a term which has become accepted over the past few years to refer to a collection of physical processes, beginning at the Sun and ultimately affecting human activities on Earth and in space. The Sun emits energy, as flares of elec- tromagnetic radiation, and as energetic electrically charged particles through coronal mass ejections and plasma streams. A short history shows the path from the first discovery of solar flares in 1895 to modern space and terrestrial observations. Today everybody can access information about solar activity and prevision. The space environments and effects section of ESA is one of the focal points for analyses of the physical environment in space and its effects on space systems and astronauts. The Control Center of the Automatic Transfert Vehicle is established in Toulouse and one of his missions is monitoring and analysing space weather. This radio survey project is a joint effort of the Paris Observatory, the Universities of Athens and Ioan- nina and the Naval Research Laboratory. ABSTRACT REE N°2/2014 67 Les centres de météorologie spatiale Dans les années 1970, lorsque les satellites d’observation de la Terre offrirent une vision globale de l’atmosphère ter- restre, ils devinrent des outils incontournables. Le premier astronome à avoir mis en évidence l’in- fluence des éruptions solaires est Richard Carrington en 1859. Il remarqua une éruption particulièrement violente, puisque visible en lumière blanche. C’est 17 heures plus tard que l’environnement terrestre fut perturbé par des aurores polaires observables jusqu’aux Caraïbes. Il y eut de graves perturbations du réseau télégraphique, incluant les seuls câbles conducteurs à longue distance existant à cette époque. Depuis cette date, et jusqu’à la création des nouveaux centres de météorologie spatiale, les télescopes, puis les ra- diotélescopes terrestres ont bien sûr suivi l’évolution du Soleil et de ses taches. Mais le spatial en tant que tel n’existait pas encore, et ces services s’intitulaient « centres de prévision so- laire », leur mission était autre. Nous ne dirons que quelques mots un peu plus loin. Le satellite Spoutnik 2, lancé en 1957, transportait des instruments destinés à mesurer le rayonnement à haute énergie. Lorsque le satellite traversa les régions de l’envi- ronnement terrestre qui prendront quelques mois plus tard le nom de ceintures de radiations de Van Allen, les instru- ments détectèrent correctement la présence des radiations, mais Spoutnik 2 n’ayant pas d’enregistreur, il ne pouvait que transmettre les données mesurées au-dessus de l’URSS. Or quand il était en visibilité de l’URSS, il était proche du péri- gée et donc ne détectait et ne transmettait rien de spécial. Quand le satellite détectait les radiations il survolait d’autres pays dépourvus de stations capables de décoder les don- nées. Ce ne fut qu’en 1958 que les résultats des appa- reils de mesure de radiations embarqués sur les missions Explorer 1 et Explorer 3 que le physicien James Alfred Van Allen mit en évidence les ceintures de radiations qui portent son nom. Ces ceintures protègent la Terre du vent solaire et du rayonnement cosmique en les piégeant, sans elles toute vie serait impossible. L’intensité des protons et des électrons piégés par ces zones dépendent en grande partie de l’activité solaire. Mais les hommes et le matériel qui sont envoyés hors de cette zone sont soumis à ces radiations. Le Soleil ayant une activité essentiellement variable sur un cycle de 11 ans, il importait d’établir des prédictions de cette activité et donc de la quantité de rayonnement et de protons reçus au niveau de la Terre et piégées par les ceintures de radiations. Le premier programme de météorologie spatiale fut créé par la NASA pour son programme Apollo. La finalité était de déterminer la dose de radiations absorbée par les astro- nautes. Ils reçoivent en effet des rayonnements importants en traversant les ceintures de radiations, puis lorsqu’ils sont sortis de ce bouclier. On assiste là à une première approche vers la compréhension des risques associés à l’activité solaire. Le premier centre opérationnel à fonctionner 24 h sur 24 date de 1990 et fut le Space Environment Center qui fonc- tionne surtout pour l’US Air Force. Les pilotes voyageant en très haute altitude sont soumis à de fortes doses de radia- tions dont la source principale est le Soleil. Il travaille sur des données issues des observations terrestres et spatiales. Une avancée fondamentale fut faite avec le satellite SoHO. Les données recueillies par ses instruments scienti- fiques révèlent des éruptions extrêmement énergétiques et un mécanisme éruptif d’une grande complexité. Un nouveau centre opérationnel a été créé par la NASA en 1999, baptisé “Living With a Star (LWS)”. Il était basé sur une constellation de satellites d’observation de la Terre et du Soleil. En 2003, l’Europe, le Japon et la Chine le rejoignent et il est rebaptisé "International Living With a Star". Dans les années 2000, l’Agence Spatiale Européenne (ESA) a lancé un certain nombre de programmes destinés à mettre sur pied un réseau européen opérationnel de météorologie spa- tiale. Mais ces actions n’ont débouché, avec le programme Figure 1 : On voit ici des images du satellite SoHO en Ultra-Violet lointain elles montrent clairement des activités solaires qui vont du Soleil calme à gauche au Soleil actif à droite – Source NASA/ESA. 68 REE N°2/2014 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT COST724, en 2007, que sur la création d’un portail internet qui regroupe les partenaires de ce projet. A partir de 2007, les sondes européennes Picard et PROBA-2 sont mises en orbite, ainsi que la sonde interna- tionale STEREO. Mais il n’en découle aucun centre opéra- tionnel. On peut signaler le projet « FEdération des Données de Météorologie de l’Espace » (FEDOME) initié par l’Armée de l’Air. Il existe aujourd’hui un grand nombre de centres de mé- téorologie spatiale, les portails internet de ces centres sont pour la plupart accessibles au public. Ils travaillent en col- lectant des données issues d’observations terrestres et spa- tiales. Leur mission est double : d’une part l’interprétation des données collectées et l’élaboration de modèles de prévision des éruptions et d’autre part la mise à disposition de ces prévisions pour les utilisateurs. Beaucoup de voyageurs sur les longs courriers consultent ces informations pour être sûr de ne pas être exposé aux effets d’une éruption de grande ampleur. Il serait à la fois long et fastidieux de les lister ici mais, pour se faire une idée de leur structure et de leur fina- lité, voici la description de quelques-uns. Quelques exemples de centres de météorologie solaire Ces centres de météorologie solaire peuvent être classés selon les missions dont ils sont chargés : les centres de prévision des orages géomagnétiques : ces centres sont situés aux hautes latitudes comme le Ca- nada, la Finlande, etc. les centres de prévision pour les missions spatiales, qu’elles soient habitées ou non. Ces prévisions, qui peuvent se faire à long terme pour les missions joviennes, déter- minent la dose de radiations reçue par la plate-forme, ses instruments et ses habitants éventuels. Les résultats de ces estimations permettent de déterminer le type de pro- tection qui assurera la survie de la mission. Les missions habitées martiennes constituent un exemple particulier. Le voyage sera programmé pendant une période de Soleil calme, de plus si une éruption survenait quand même, il est prévu un petit réduit blindé où les astronautes pourraient se réfugier au moment de l’arrivée de la tempête solaire ; les centres de prévision pour l’aviation civile ou mili- taire. Les avions de ligne ont une altitude de croisière d’en- viron 12 000 m et les avions militaires font des incursions à des altitudes bien supérieures. Il est important que la dose de radiation cumulée reçue par le personnel navigant soit établie et suivie. Il existe de plus en plus de voyageurs fré- quents qui consultent ces sites et reportent leur voyage en cas de tempête solaire en cours ou prévue. Le centre canadien de météorologie spatiale Le Canada est particulièrement concerné par les orages géomagnétiques, car situé près des régions boréales, les installations électriques, mais aussi les pipe-lines et autres installations électriques sont régulièrement endommagés. Le centre canadien de météorologie spatiale analyse les don- nées du satellite ACE (Advanced Composition Explorer), les données recueillies par les stations de radioastronomie ter- restres et les données géomagnétiques. Le but est ici d’amé- liorer la fiabilité de prévisions des tempêtes géomagnétiques. La fonction de ce centre est de fournir aux utilisateurs les valeurs à jour de l’indice d’activité du Soleil observé à la lon- gueur d’onde de 10,7 cm. Le flux solaire à 10,7 cm est une mesure d’émission intégrée, de toutes les sources émettrices présentes sur le disque solaire. Il est presque entièrement d’origine thermique et est lié directement à la quantité totale de plasma piégé dans les champs magnétiques recouvrant les régions actives. Ce phénomène est lui-même associé à la quantité du flux magnétique. Une comparaison effectuée sur plus d’un cycle d’activité solaire montre qu’il existe en effet une corrélation linéaire entre le flux solaire à 10,7 cm et le flux magnétique photosphérique des régions actives. Le flux solaire est mesuré à l’aide de deux radiotélescopes entièrement automatisés situés à l’Observatoire fédéral de radio-astrophysique. Les deux instruments enregistrent quo- tidiennement la puissance de l’émission radio solaire aussi longtemps que le Soleil se trouve au-dessus de l’horizon. Les données sont transmises immédiatement à une liste d’utili- sateurs internationaux. En outre, les données présentes et passées sont disponibles sur le Web et peuvent être télé- chargées. Le centre européen de météorologie spatiale En 1995, l’Europe s’est engagée de manière officielle à contribuer au programme de la station spatiale internationale (ISS). Cet engagement s’est matérialisé entre autres par la fabrication d’un véhicule de transfert automatisé : l’ATV. Il est destiné à faire la liaison entre l’ISS et la Terre en transportant du matériel. L’Agence Spatiale Européenne a confié également au CNES le développement et les opérations du centre de contrôle de ce véhicule. Il est basé au Centre Spatial de Toulouse. Le rôle de l’ATV-CC est la conduite des opérations de l’ATV et la coordination de l’ensemble des moyens sols nécessaires. Une des activités de ce centre de contrôle est la prévi- sion des éruptions solaires. En effet, une procédure de vol, indique que dans le cas où l’on prévoit ou constate un évé- nement solaire avec un seuil de particules énergétiques et un flux donné, l’opération prévue ou en cours doit être terminée REE N°2/2014 69 Les centres de météorologie spatiale ou reportée. En effet, certains équipements du cargo sont extrêmement sensibles aux particules émises lors d’érup- tions solaires. Si l’Europe spatiale a prouvé dans le passé toute sa capa- cité à maîtriser une mission complexe, c’est parce que l’ESA et le CNES prennent en compte, chaque jour, de nombreux paramètres. La surveillance de l’activité solaire est l’un d’eux. L’ATV est équipé d’un blindage qui ne peut résister à tout. Certains équipements, comme les senseurs optiques du ren- dez-vous ou les calculateurs, sont sensibles aux particules. Il a donc été mis en place un contrat avec la filiale du CNES « Collecte Localisation Satellites » (CLS), qui fournit quoti- diennement les prévisions d’activités solaires à ce centre de contrôle. Pour ce faire, CLS réalise la surveillance quotidienne de l’activité solaire. Il s’agit principalement d’évaluer le risque qu’une éruption capable d’éjecter des particules très éner- gétiques se produise. Si le champ magnétique de la Terre agit comme un bouclier et piège la majorité d’entre elles, les plus énergétiques peuvent le traverser et affecter les équipements en orbite. Les perturbations possibles sont les modifications de l’information contenue dans les mémoires, des courants parasites voire des courts-circuits. Les experts du CLS prospectent notamment des risques d’évènements à protons, bien que ce risque ne représente que moins de 1 % des éruptions solaires. Il a été établi une série d’indi- cateurs en se basant sur plusieurs cycles solaires, à l’occa- sion d’études menées en collaboration avec l’observatoire de Paris, l’école Polytechnique et le CNES. L’Europe a un grand intérêt pour la météorologie spatiale. Le programme “Seventh Framework Programme for Research and Technological Development” (FP7) gère la répartition des quelques 50 milliards d’euros qui sont attribués par l’Europe aux programmes scientifiques. La répartition se fait sur des critères rigoureux et sur la base de réponses à des appels à compétition. Le spatial est l’un des thèmes prioritaires se foca- lisant sur de multiples applications dont le “Global monitoring for environement and security”. Quinze projets ont été retenus, dont on peut citer : ATMOP (Advanced Thermosphere Model- ling for Orbit Prediction) ; COMESEP (COronal Mass Ejections and Solar Energetic Particles: forecasting the space weather impact), EURISGIC (European Risk from Geomagnetically In- duced Currents), SEPSERVER (Data Services and Analysis Tools for Solar Energetic Particle Events and Related Electro- magnetic Emissions), SWIFF (Space Weather Integrated Fore- casting Framework). Un instrument de recherche : le radiohéliographe de Nançay C’est en 1953 qu’a commencé la construction d’un grand réseau pour les observations solaires en ondes métriques sur la commune de Nançay (Cher). Le premier réseau métrique pour l’observation du Soleil comportait dans sa première ver- sion 16 miroirs de 5 m de diamètre disposés sur une base Est-Ouest, puis sur une autre orientée Nord-Sud. Un peu plus tard, ce qui s’appelait alors « interféromètre en croix » fut étendu à 32 antennes fixes de 5 m de diamètre sur une base Est-Ouest et huit antennes de 10 m sur une base Nord- Figure 2 : Le Centre de Contrôle de l’ATV - Source CNES. Figure 3a : Les antennes de la branche Nord-Sud. Figure 3b : Les antennes de la branche Est-Ouest - Source : Observatoire de Paris /USN. 70 REE N°2/2014 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT Sud. La conquête de l’espace n’était pas à l’ordre du jour et le service qui gérait ces instruments et la recherche associée s’appelait « centre de prévision solaire ». Aujourd’hui, le radiohéliographe de la station de radioastro- nomie de Nançay (Unité Scientifique de Nançay) est consti- tué par un interféromètre de 48 antennes réparties en deux branches en forme de Té. La ligne Nord-Sud mesure 1 250 m, et la ligne Est-Ouest 1 600 m. Le radiohéliographe de Nançay est un interféromètre qui produit des images du Soleil pour des longueurs d’onde comprises entre 0,7 et 2 mètres (bandes VHF – UHF), il per- met d’observer simultanément plusieurs longueurs d’onde. Comme les différentes longueurs d’ondes correspondent à des altitudes différentes dans l’atmosphère solaire, il est ainsi possible de produire des résultats en trois dimensions. La netteté des images acquises par interférométrie est déter- minée entre autres par le rapport entre la longueur d’onde utilisée et la taille de l’instrument. L’onde incidente est col- lectée par des antennes dispersées sur deux rangées à peu près perpendiculaires. Les signaux sont traités par des ordina- teurs et des corrélateurs pour donner une image cohérente. La sensibilité d’un interféromètre est faible car la surface de réception n’est formée que de petits éléments et des dis- torsions importantes apparaissent sur l’image. Par contre la finesse de l’image est déterminée par la taille des branches de l’interféromètre. Cet instrument est le seul au monde à cartographier de façon régulière la couronne solaire à des altitudes corres- pondant aux régions que les particules énergétiques et les éjections de masse coronale doivent traverser vers l’espace interplanétaire. Les données intégrées et les données à haute résolution temporelle sont disponibles sur “Radio Monitoring (NRH Data)”. Une revue détaillée jour après jour est consultable sur le site “Radio Monitoring”, constitué de l’association entre l’Observatoire de Paris, les universités d’Athènes et de Ionnanina et le Naval Research Laboratory. Le but principal de ce groupement est d’effectuer des analyses sur des don- nées solaires récoltées dans des domaines de longueurs d’ondes différents, comme des données issues d’observa- tions terrestres et d’autres provenant des missions SOHO et STEREO. Figure 4 : Image de la couronne solaire mesurée au radiohéliographe de Nançay. André Deschamps est ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris. Il est président de la commission « Radioastronomie » de l’URSI-France. Il a travaillé sur des grandes missions scientifiques spatiales (ROSETA, Herschel, etc.) pour lesquelles il a reçu un award de la NASA et un autre de l’ESA. Il a été représentant de la radioastronomie française auprès de l’ANFR (Agence natio- nale des fréquences) et de l’ITU (International Telecommu- nication Union, Genève). L'AUTEUR