LESIA - Observatoire de Paris
Accueil > Recherche astrophysique > Thèmes de recherche > Perturbations héliosphériques et météorologie de l’espace

Perturbations héliosphériques et météorologie de l’espace

mardi 25 septembre 2012, par Karl-Ludwig Klein, Nicolas Fuller, Karine Issautier

L’atmosphère externe (couronne et vent) et l’activité du Soleil ne sont pas seulement des laboratoires d’astrophysique proches, mais affectent directement l’environnement plus ou moins lointain de la Terre et des planètes. Des événements solaires extrêmes peuvent, par exemple, conduire au dysfonctionnement de satellites, à des perturbations des communications et de la géolocalisation par ondes hertziennes, ainsi qu’à l’interruption du transport d’électricité par les lignes de haute tension dans des régions exposées de la Terre, aux hautes latitudes. Ils sont également une menace potentielle pour les astronautes. Le terme « météorologie de l’espace » désigne les recherches sur les phénomènes et processus de l’activité solaire qui ont un impact sur l’Héliosphère et l’environnement de la Terre, comprenant la magnétosphère, la haute atmosphère et des effets au sol. Elle comprend le développement de méthodes de prévision et des activités d’études et recherches appliquées en coopération avec des utilisateurs de domaines variés en dehors de la recherche astrophysique. Pour cela, elle utilise des instruments de recherche ou bien des instruments spécifiques.

 Qu’est-ce que la « météorologie de l’espace » ?

Il s’ensuit de ce qui vient d’être dit que les émissions de la couronne, qu’il s’agisse d’ondes électromagnétiques, de particules du vent solaire, de particules de haute énergie ou de champ magnétique, interagissent avec la magnétosphère et la haute atmosphère des planètes, en particulier de la Terre. Les conséquences sont multiples, allant de la perturbation des orbites de satellites à celle des communications par ondes hertziennes et de la transmission d’énergie électrique par les lignes de haute tension dans les régions proches des pôles magnétiques : l’activité solaire a des conséquences sur la technologie et sur la vie quotidienne des sociétés qui en dépendent. L’analyse et la prévision de ces phénomènes est appelée météorologie de l’espace. Il s’agit d’un problème complexe : les effets des perturbations solaires sont rarement directs, et les relations de cause à effet sont d’autant plus difficiles à saisir que les effets ont lieu bas dans l’atmosphère.

L’effet d’une perturbation donnée dépend, en dehors de son intensité intrinsèque, de la localisation au Soleil et des conditions du milieu interplanétaire. On sait que l’activité géomagnétique est statistiquement plus forte en mars et septembre que dans les autres mois, ce qui indique de nouveau l’importance de la position relative des régions sources au Soleil et de la Terre Les effets du Soleil varient avec son cycle d’activité. Il y a de ce fait certains effets systématiques, telle l’augmentation des rayonnements X et UV avec le nombre de taches ou d’autres indicateurs de l’activité qui sont prévisibles. D’autres effets, notamment l’occurrence ou l’intensité des éruptions, éjections de masse ou événements à particules, sont sporadiques et échappent, pour l’instant, à la prévision détaillée.

 Physique des perturbations héliosphériques et météorologie de l’espace au LESIA

Les thématiques de l’équipe transverse « Perturbations héliosphériques et météorologie de l’espace » sont d’une part les recherches sur les perturbations de l’héliosphère, partant des conditions aux limites dans l’atmosphère solaire et allant jusqu’à la détection dans le vent solaire et les magnétosphères planétaires. D’autre part nous menons des activités autour de la fourniture de données et de la production de données synthétiques et d’outils d’aide à l’interprétation. Ces activités servent aussi bien à la recherche scientifique qu’aux applications en météorologie de l’espace pour des utilisateurs externes à la communauté de recherche. Les processus physiques sur lesquels nous travaillons concernent notamment les éjections coronales de masse (CME) et les particules chargées de haute énergie. Ces travaux se fondent sur l’expertise développée dans les pôles de physique solaire et de physique des plasmas.

Recherches en relations Soleil-Terre

Sur les fondations développées depuis de nombreuses années, nous menons des recherches sur l’origine et la propagation des perturbations héliosphériques. Ces travaux exploitent actuellement des instruments à bord des satellites SoHO, STEREO, SDO, Hinode, Proba 2, ACE, Wind, le télescope spatial Hubble et les instruments au sol, à la station de Nançay, le réseau mondial des moniteurs à neutrons et le télescope optique THEMIS. Les travaux actuels sont aussi une préparation aux missions Solar Orbiter et Solar Probe +, dont les observations dans l’Héliosphère interne nous permettront une vue sur les structures magnétiques et particules énergétiques plus près de leur source. Cette vue sera bien moins déformée par la propagation interplanétaire que les mesures faites à la distance de la Terre. Nous comptons poursuivre quatre grands axes de recherche :

  • Développer la compréhension de l’origine des éjections de masse en utilisant les extrapolations 3D du champ magnétique à partir des mesures photosphériques (THEMIS, Hinode/SOT/SP, SDO ; puis Solar C) et la simulation numérique.
  • Etudier l’interaction des éjections de masse avec le vent solaire et l’évolution des structures magnétiques au cours de leur propagation. Etablir la chaîne des processus d’éjection et d’interaction avec différents objets du système solaire, incluant les magnétosphères de la Terre et d’autres planètes. Etablir des simulations globales de l’interaction vent solaire/magnétosphère, avec une application particulière à la magnétosphère de Mercure en soutien à la mission future BepiColombo (travail dans le cadre du projet Européen "Shock’").
  • Etudier les particules de haute énergie des sites d’accélération dans la couronne jusqu’à leur détection dans l’espace interplanétaire ou à la Terre. Identifier le lien entre les populations de particules de haute énergie dans l’espace et les processus dynamiques dans la couronne : éruptions, éjections de masse, ondes de choc (travaux entre autres dans le cadre des projets Européens "HESPE’" et "SEPServer’").
  • Développer la modélisation numérique de l’environnement d’un satellite (code SPIS, Onera/ESA, en collaboration avec plusieurs équipes européennes). Ce code permet de choisir les matériaux pour la construction de certaines éléments de Solar Orbiter. Il est également employé pour créer une base de données de simulation pour différentes conditions environnementales et configurations du satellite prévues au cours de la mission.

Vers un accès unifié aux données d’observation et produits de données

Les pôles de physique des plasmas et de physique solaire, en collaboration notamment avec les agences spatiales (CNES, ESA, NASA), la station de radioastronomie de Nançay et l’IPEV (Institut polaire français Paul-Emile Victor), produisent de grandes quantités de données et de résultats de simulations numériques. Nous poursuivrons l’effort d’unifier les accès à des données complémentaires en physique des perturbations héliosphériques, engagé avec la diffusion des données radio multi-instruments (site web radio monitoring) et du réseau des moniteurs à neutrons (projet NMDB). Nous comptons également rendre les cartes de champs magnétiques et leur extrapolation dans la couronne disponibles via le site MEDOC (IAS Orsay). Nous sommes responsables de la fourniture de données radio spatiales au CDPP et fortement impliqués dans les projets d’observatoire virtuel, en particulier HELIO et AMDA (au CDPP).

Contributions à la météorologie de l’espace

Au LESIA, nous participons à la météorologie de l’espace par différentes actions :

  • la recherche sur les thématiques des relations Soleil-Terre, notamment sur le développement des éjections de masse dans la basse couronne et leur propagation dans l’espace interplanétaire ainsi que sur la propagation des particules de haute énergie du Soleil à la Terre ;
  • la surveillance du rayonnement cosmique, grâce aux moniteurs à neutrons des Iles Kerguelen et de Terre Adélie (Antarctique), en coopération avec l’IPEV ;
  • la fourniture des données dérivées des mesures avec les moniteurs à neutrons à l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) pour la prévision et la surveillance des doses de radiation du personnel de l’aviation civile (système SIEVERT) ;
  • le conseil scientifique aux études de prévision, notamment des événements à particules.

Dans le cadre d’une approche globale qui se prépare au niveau Européen par le programme Space Situational Awareness (SSA) de l’ESA, nous sommes co-responsables d’une action transverse de l’Observatoire de Paris "Environnement spatial de la Terre" (avec l’IMCCE et la station de radioastronomie de Nançay).