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Description de la mission

Du Soleil à la Terre

Notre Soleil éjecte constamment du plasma, appelé vent solaire, dans le milieu interplanétaire. Le vent solaire représente un laboratoire naturel de physique des plasmas. Il est accessible aux scientifiques par les mesures in situ effectuées lors des missions d’observation.

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Figure 1. Représentation de la relation Soleil-Terre et de la magnétosphère terrestre.
Source ESA

La rencontre du vent solaire avec le champ magnétique terrestre se manifeste par la formation d’un bouclier magnétique autour de la planète, la magnétopause, entourant la magnétosphère. Au sein de celle-ci, de nombreux processus physiques se produisent. Certains d’entre eux ont des effets observables depuis le sol : aurores boréales et australes. Ils ont parfois des conséquences sur l’activité humaine : désordres dans les réseaux électriques et les réseaux de télécommunication.

Cluster a été conçu afin de mener une investigation en trois dimensions sur la magnétosphère terrestre et sur les régions d’interface entre deux plasmas différents, en particulier l’interface Vent Solaire-Magnétosphère. Il est donc constitué d’un réseau de quatre sondes identiques*. La mission Cluster est associée à la mission SOHO, dédiée à l’observation du Soleil. Ces deux missions forment le Solar-Terrestrial Science Program (STSP) de l’agence spatiale européenne (ESA).

Un échec puis une renaissance

Le lancement de la mission Cluster devait avoir lieu le 4 juin 1996 avec le premier tir de la fusée Ariane 5. Il s’est soldé par un échec. Ariane 5 a du être détruite quelques secondes après son lancement. L’instrumentation de Cluster embarquée à son bord fut également détruite.

L’ESA a choisi de reprendre la mission à l’identique. Les sondes de la nouvelle mission Cluster II on été lancées en Juillet et août 2000. Leur lancement s’est fait par paire avec deux fusées russes Soyuz et Moliniya. Au vu de la moisson de résultats probants fournis depuis 2000 par la mission Cluster, celle-ci a été prolongée jusqu’à décembre 2018 sous réserve d’une nouvelle revue.

Visiter les régions clés

Les quatre satellites de Cluster permettent d’explorer la magnétosphère terrestre et le vent solaire proche de la Terre. Cluster sonde les régions clés de l’interaction du vent solaire avec la magnétosphère terrestre :

  • Le vent solaire au voisinage de la Terre,
  • L’onde de choc formée par la rencontre du vent solaire supersonique super-Alfvénique avec la magnétosphère,
  • La magnétopause, frontière externe de la magnétosphère,
  • Les cornets polaires qui sont les zones de pénétration possible des particules du vent solaire dans la magnétosphère,
  • La queue de la magnétosphère.

Les satellites sont en orbite polaire et elliptique autour de la Terre. Les orbites ont un périastre situé à 19000km et un apoastre à 119000km d’altitude (rayon terrestre : 6371km). Ceci autorise des passages dans chacune des régions visées. Le principal objectif de la mission est d’étudier les processus physiques qui ont lieu dans ces régions.

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Figure 2. Vue d’artiste de la mission Cluster
Source ESA

S’affranchir des ambiguïtés

Lorsqu’un satellite mesure une grandeur physique qui fluctue deux cas se présentent. Ces fluctuations peuvent être dues au déplacement du satellite dans un milieu stationnaire. On parle alors de variations spatiales. Ces fluctuations peuvent au contraire traduire une évolution de la grandeur au cours du temps. Ce sont dans ce cas des variations temporelles.

La mission Cluster présente une structure innovante formée de quatre satellites identiques. Cette constitution autorise une différenciation dans les observations entre les variations spatiales et les variations temporelles. Ceci est important dans le cas d’un milieu non stationnaire comme la magnétosphère terrestre. Par cela, Cluster se distingue de toutes les missions spatiales qui l’ont précédée dans le cadre des recherches magnétosphériques.

Des mesures en 3D

L’analyse des propriétés tridimensionnelles du plasma et du champ magnétique est la motivation implicite de la mission. Les quatre sondes spatiales qui composent Cluster ont strictement la même instrumentation. C’est grâce à leur vol en formation tétraédrique qu’une analyse en 3D est possible*. Elles mesurent une grandeur physique en même temps aux quatre sommets du tétraèdre.

Dans cette optique, Cluster a été la première mission spatiale à pouvoir estimer localement la densité de courant électrique dans le plasma. Le courant est déterminé à l’échelle du tétraèdre à partir de la mesure du champ magnétique en quatre points. Une autre originalité de la mission est la possibilité d’évaluer les gradients de densité du plasma.

*Avec trois points on définit un plan. Seuls quatre points (bien disposés) permettent de décrire les trois dimensions. Les quatre satellites identiques de Cluster ont été mis en formation tétraédrique dans les régions clés de leur orbite, pendant les premières années de la mission. Ils peuvent effectuer la même mesure simultanément en quatre points différents. Cela permet de déterminer la structure tridimensionnelle de la grandeur mesurée.

Pour en savoir plus sur les outils développés pour ces études en 3D :
Paschmann G. et Daly, W., Analysis methods for multispacraft data, ISSI Scientific report, 1998.

Paschmann G. et Daly, W., Analysis methods for multispacraft data revisited, ISSI Scientific report, 2008.


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