12 Avril 2016

Mission

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Objectifs Scientifiques

Etude des phénomènes associés aux orages atmosphériques

Les orages atmosphériques constituent un des phénomènes perturbateurs les plus importants de l'environnement de la Terre. Deux mille orages sont en permanence actifs dans le monde, produisant 50 à 100 éclairs par seconde. Des observations récentes d'émissions lumineuses dans l'atmosphère moyenne et supérieure et d'émissions gamma d'origine atmosphérique témoignent d'un couplage impulsif de l'atmosphère avec l'ionosphère et la magnétosphère de la Terre au dessus des cellules orageuses actives. Ce couplage direct et les énergies considérables mises en jeu font intervenir, au niveau des plasmas spatiaux et de la chimie et de la dynamique de l'atmosphère moyenne, des processus qui n'avaient pas été envisagés jusqu'à présent. Il peut être déclenché par le rayonnement cosmique, le vent solaire et les processus météorologiques et volcaniques affectant les couches inférieures de l'atmosphère.

La découverte de ces phénomènes étant très récente, les connaissances actuelles se limitent à celles des émissions lumineuses observées dans le spectre visible du sol ou à partir de détecteurs optiques embarqués sur satellite et orientés vers l'horizon. Les études théoriques montrent que ces émissions ne sont qu'une partie d'un phénomène beaucoup plus complexe qui fait aussi intervenir des d'émissions X et , des émissions d'ondes électromagnétiques s'étendant dans une gamme large (0,1 Hz à plusieurs dizaines de MHz) et un couplage atmosphère/ionosphère qui conduit à la génération de champs électriques intenses et à l'accélération d'électrons jusqu'à de très hautes énergies (pouvant atteindre 30 MeV).

1- Détection et caractérisation des TLEs

L'objectif est de mesurer les éclairs et les événements lumineux transitoires (Transient Luminous Event, TLE) qui se produisent au dessus des systèmes orageux entre 20 et 100 km d'altitude. Ces TLEs ont été observés en visant l'horizon depuis le sol ou par satellite (ISUAL/FORMOSAT). La figure ci-dessus représente schématiquement ces différents TLEs.

Le nombre de TLEs n'est actuellement pas connu. Il est possible d'estimer leur nombre à partir du nombre global d'éclairs qui a été déterminé par les expériences LIS et OTD à bord du satellite TRRM. Le nombre global d'éclairs est de l'ordre de 45 par seconde. Cela conduit à un nombre de sprites de l'ordre de 5 à 27 par minute si on suppose qu'il y a 1 sprite (1,5 Mo) pour 100 à 500 éclairs. Le nombre d'elves, qui se produisent plus facilement que les sprites, pourrait atteindre 500 à 600 par minute.

Ces phénomènes ont des caractéristiques spatiales et temporelles différentes. Ils se produisent systématiquement après un éclair mais certains avec un délai plus ou moins long. Ces caractéristiques sont résumées dans les tableaux ci-dessous :

 Extension horizontaleExtension verticaleGamme d'altitudeDuréDélai éclair/TLE
Sprites en colonne˜ 1 km10-40 km30-70 km1-5 ms< 2 ms
Sprites "carotte"5-30 km20-60 km30-90 km1-5 ms2-400 ms*
Groupe de sprites50-80 km   0-400 ms
elves200-500 kmqq km85-95 km1 ms< 1 ms
halos˜ 75 km˜ 20 km70-90 km1-5 ms< 1 ms
jets1-10 km20 km18-45 km  
jets géants1-50 km60 km18-75 km  
Eclairs (illumination du nuage)5-20 km3-10 km3-15 km1-100 ms (pour le courant continu) 

* : le délai entre le sprite et l'éclair a une valeur moyenne de 30 ms, mais sa distribution présente un grand écart type. Ce délai n'est pas encore prévisible.

Le spectre des sprites est étudié tant expérimentalement que théoriquement. Ces spectres font apparaître que les émissions lumineuses des sprites sont liées à l'excitation des molécules d'azote. Le tableau ci-dessous rassemble les différentes bandes de vibration de N2 impliquées dans les émissions des sprites.

Système de bande vibrationnelleGamme spectrale (nm)Longueur de la principale bande (nm)
N2 1P570-830762.7 nm (3-1)
N2 2P290-450337 nm (0-0)
N2 LBH*120-280 
N2+ (1N)360-470391.4 nm (0-0)

* : Lyman-Birge-Hopfield

Contrairement aux expérimentations précédentes, TARANIS observera ces phénomènes au moment il passera juste au-dessus afin d'étudier les différents effets sur le milieu (ionosphère) et les couplages avec les milieux voisins (atmosphère et magnétosphère). Pour cela, il embarque un système optique de détection et d'observation de ces TLEs avec pour objectif de :

  • Détecter les TLEs et les éclairs à bord du satellite pour émettre un signal d'alerte à l'ensemble des instruments.
  • Faire la différence entre le signal des éclairs et celui des TLEs
  • Localiser et caractériser les éclairs et les TLEs, ainsi que leur occurrence
  • Permettre d'étudier les corrélations entre ces caractéristiques et celles des autres phénomènes associés (TGFs, ondes, ...)

2- Détection des TGFs et étude des mécanismes de génération des TLEs et TGFs

Les TGFs (Terrestrial Gamma ray Flashes) ont été découvert par l'expérience BATSE. Leur origine se situe haut dans l'atmosphère et semblent lié à l'activité orageuse.

Les mécanismes à l'origine des TLEs et TGFs font l'objet de nombreuses études, souvent contradictoires. Selon certaines études, ils pourraient être liés à des champs électriques quasi-statiques induisant un claquage de l'air ; selon d'autres, ils pourraient résulter d'une avalanche d'électrons relativistes qui, déclenchée par le rayonnement cosmique, se développe jusqu'à l'ionosphère et la magnétosphère. Cette avalanche pourrait produire un rayonnement X et secondaire par bremsstrahlung.

L'observation fortuite d'émissions X et en provenance de l'atmosphère terrestre par le satellite GRO supporte en première approximation ce dernier modèle. Les observations actuelles du satellite Rhessi montrent que les énergies mises en jeu atteignent 30 MeV. Des observations récentes d'émissions X en liaison avec des éclairs déclenchés montrent que ces mécanismes pourraient être plus communs qu'on ne le pensait précédemment.

3- Caractérisation des faisceaux d'électrons ("runaway electrons") accélérés de l'atmosphère vers la magnétosphère

Les observations du rayonnement ont démontré l'existence de faisceaux d'électrons énergétiques dirigés vers le haut lors de TLEs. Plusieurs études théoriques indiquent que ce faisceau d'électrons traverse l'ionosphère et se propage dans la magnétosphère. Si cette hypothèse se confirme on aurait ainsi un processus contribuant à la fois :

  • au peuplement des ceintures de radiation via l'accélération vers la magnétosphère d'électrons énergétiques de basse altitude générés par le rayonnement cosmique,
  • aux variation des taux d'ionisation dans l'atmosphère.

Moins hypothétique est le rôle des électrons des ceintures de radiation précipités dans l'atmosphère. On sait depuis de nombreuses années qu'aux hautes latitudes (L>5) les électrons précipités sont à l'origine de la production de NOx à des altitudes de l'ordre de 90 km, et que des vents polaires transportent ces NOx aux basses altitudes. Bien que cela n'ait pas été formellement démontré, on peut penser qu'aux moyennes et basses latitudes, où des électrons de plus forte énergie sont précipités (des flux importants d'électrons de plus de 10 Mev sont observés par le satellite SAMPEX), les effets sur la concentration des NOx et O3 doivent directement être observés dans la stratosphère sans avoir à faire appel à un mécanisme de transport.

4- Mise en évidence, des effets des TLEs sur le couplage entre l'ionosphère et la magnétosphère, et du rôle des électrons précipités dans le couplage entre la magnétosphère et l'atmosphère

L'accélération et la précipitation d'électrons sont généralement accompagnées d'ondes électromagnétiques et d'ondes électrostatiques ayant contribué au processus ou ayant été générées par ce processus. Dans les deux cas une recherche de la signature électromagnétique et/ou électrostatique est essentielle pour identifier les mécanismes mis en œuvre voire pour détecter des faisceaux d'électrons trop étroits pour être directement observés. Un exemple de l'intérêt de telles signatures est actuellement fourni par les "seconds pics" observés au sol sur les sifflements ELF. Ils sont actuellement interprétés comme la signature de courants se produisant au cœur des sprites.

Des études sont en cours sur les signatures électromagnétiques et électrostatiques des phénomènes transitoires susceptibles de mettre en évidence des processus de couplage entre l'ionosphère et l'atmosphère ou entre la magnétosphère et l'atmosphère. Des modèles prédisent la génération d'ondes électromagnétiques LF/MF par les faisceaux d'électrons accélérés de l'atmosphère vers la magnétosphère. Si les mécanismes de génération des ondes sont bien documentés pour la précipitation des électrons aux hautes latitudes, un important travail est à faire pour les moyennes et basses latitudes.

Mission

La mission TARANIS a été bâtie pour détecter et étudier différents phénomènes associés aux orages atmosphériques à partir d'un microsatellite placé sur une orbite quasi-polaire. Le système utilisera au maximum les éléments et moyens de la filière de microsatellite MYRIADE du CNES.

Le système est conçu pour observer les zones orageuses afin de détecter les TLEs et TGFs au moment où le satellite survole le phénomène à environ 700 km d'altitude. Une alerte est alors envoyé à chacun des instruments de la charge utile pour qu'ils acquièrent un maximum de données pendant l'évènement.

Le phénomène déclencheur (sprite détectée par un jeu de photomètres par exemple) ne durant que quelques millisecondes, les données sont en fait enregistrées en permanence dans une "mémoire tournante" et l'alerte sert à sélectionner la partie de la mémoire qui sera lue. Cette méthode permet d'avoir accès à des données enregistrées avant le top de déclenchement pour compenser les temps de réponses du système.

La grande capacité de télémétrie, de stockage bord et la gestion de la mémoire bord permettront d'accumuler un grand nombre de données par évènement et un grand nombre d'évènements par jour. Ceci afin de satisfaire le besoin d'analyse statistique et de pouvoir corréler les différents paramètres.

Le Centre de Mission Scientifique reprend le schéma mis en place avec un grand succès avec le LPC2E pour la mission DEMETER.

  • Orbite :

    • Polaire, héliosynchrone
    • Altitude : 700 km
    • Nœud ascendant : 22h30

  • Pointage :

    • Précision : 0.5° minimum
    • Restitution d'altitude : 0.1°
    • Stabilité : 0.12° /s
    • Précision de localisation : 5 km

  • Durée de la mission : 2 à 3 ans