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Météorologie de l’espace

La météorologie de l’espace (ou météorologie spatiale) est une discipline récente qui s’intéresse principalement à l’impact de l’activité solaire sur notre environnement terrestre. Le site du « Space Situational Awareness» de l’agence spatiale européenne (ESA) donne la définition suivante : « La météorologie de l’espace étudie les conditions environnementales dans la thermosphère, l’ionosphère, la magnétosphère terrestres causées par le Soleil et le vent solaire et qui peuvent affecter le fonctionnement et la fiabilité de systèmes ou services au sol ou dans l’espace, ou mettre en danger les biens ou la santé de l’homme. »

 Chercheurs du LPP :

C. Amory-Mazaudier, N. Cornilleau-Wehrlin, D. Fontaine

 Quelques publications significatives :

 Activité solaire et relations Soleil-Terre :

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Figure 1.
CME — A large coronal mass ejection ejects a cloud of particles into space on 2 December 2003. In this composite an EIT 304 image of the sun from about the same time has been appropriately scaled and superimposed on a LASCO C2 image where a red occulting disk can be seen extending around the Sun. This LASCO coronagraph instrument allows details in the corona to be observed.
Source : SOHO site

Le Soleil émet en permanence des rayonnements sur une large gamme de longueurs d’onde des rayons X et gammas (à respectivement moins de 1 nm et 1 pm) aux rayonnements radios (m, km) avec un pic de puissance au niveau du rayonnement visible et proche infrarouge (autour du µm). Une partie du rayonnement, notamment en UV, est absorbée par l’atmosphère terrestre et contribue à exciter, dissocier et ioniser les composants atomiques et moléculaires atmosphériques. Il se crée dans les hautes couches de l’atmosphère, typiquement dans la thermosphère au-dessus de 100 km d’altitude, une région comprenant des particules ionisées en plus des constituants neutres : c’est l’ionosphère. Par contraste avec l’atmosphère neutre, la couche ionosphérique est conductrice et permet la circulation de champs et courants électriques.

Le soleil émet aussi en permanence des particules chargées, principalement des électrons et des protons, à des températures de l’ordre de 10 eV, qui se propagent à des vitesses supersoniques ( 400 km/s) dans tout le système solaire: c’est le vent solaire. Il n’entre pas directement en collision avec la surface si ces objets possèdent une atmosphère (Mars, Venus) et/ou un champ magnétique (Terre, planètes géantes magnétisées) dont la pression thermique et/ou magnétique est capable de s’opposer à la pression du vent solaire. Leur interaction avec le vent solaire est alors responsable de la formation d’une onde de choc en amont de l’obstacle planétaire, qui contribue à décélérer le vent solaire en aval à des vitesses subsoniques pour lui permettre de contourner l’obstacle, et d’une cavité planétaire, ou magnétosphère, autour de la planète. Le milieu magnétosphérique est séparé du milieu interplanétaire par une frontière, la magnétopause, relativement bien étanche.

De plus le Soleil, de façon sporadique, émet des protons et des ions énergétiques à des énergies de l’ordre de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de MeV. Ces émissions, appelées éruptions solaires et éjections de masse coronale, peuvent atteindre l’environnement terrestre. L’activité solaire évolue selon un cycle de onze ans (dernier minimum autour de 2008-2010 et dernier maximum autour de 2012-2014).

 Météorologie spatiale

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Figure 2. Space weather effects on human activity.
Source L.J. Lanzerotti, Bell Laboratories

L’arrivée vers la terre d’émissions électromagnétiques et de particules solaires qui résultent de l’activité solaire, se répercute à son tour sur les différents éléments de l’environnement terrestre et les affecte de manière différente. Les rayonnements électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière et atteignent l’environnement terrestre dans un délai de 8 minutes après émission. Le rayonnement UV, très variable, agit en particulier sur le chauffage et l’ionisation de la haute atmosphère terrestre, sur la concentration, la composition et le chauffage de l’ionosphère. Ces effets peuvent affecter le positionnement des satellites à basse altitude, les communications avec les satellites, en particulier le système GPS,…

Les particules énergétiques solaires mettent entre une dizaine de minutes et quelques heures pour parvenir jusqu’à l’environnement terrestre. Si elles modifient relativement peu l’environnement lui-même, elles ont un impact important sur les équipements électroniques des satellites, voire des avions sur les lignes polaires.

Des reconfigurations du champ magnétique dans la magnétosphère induites par des fortes variations de pression du vent solaire et/ou par l’arrivée d’éjections de masse coronale, peuvent donner lieu à divers phénomènes physiques dans la magnétosphère comme par exemples des aurores boréales. Voir à ce sujet les rubriques : Accélération, rayonnement et turbulence dans les régions aurorales terrestres et Sous-orages magnétosphériques. L’idée que les éruptions solaires libèrent des nuages de plasma qui se propagent ensuite dans le milieu interplanétaire a été proposée par Sidney Chapman en 1929. Ces structures sont appelées des éjections de masse coronales. Les nuages magnétiques en sont un cas particulier, ils sont caractérisés par une structure magnétique bien définie. Au niveau de la Terre, environ un tiers des éjections de masse coronales observées sont des nuages magnétiques qui jouent un rôle central dans les relations Soleil-Terre, notamment parce qu’ils sont à l’origine des tempêtes géomagnétiques les plus intenses. L’étude de leur interaction avec l’environnement terrestre présente donc aussi un intérêt majeur parce qu’elle soulève des questions plus fondamentales, telles que la façon dont s’effectue le couplage entre vent solaire et magnétosphère.

Le système ionosphère – magnétosphère étant fortement couplé par l’intermédiaire des lignes de champ magnétique très conductrices, les perturbations magnétosphériques se répercutent dans l’ionosphère et vice versa. Plusieurs heures sont nécessaires pour construire une nouvelle circulation des particules et courants dans ce système couplé. La circulation des courants dans l’ionosphère peut devenir très intense suite à des événements solaires et affecter les communications avec les satellites de basse altitude principalement dans les régions de hautes latitudes (aurorales), le positionnement GPS, … Dans les cas extrêmes, elle engendre des courants dans la Terre (courants telluriques) qui peuvent affecter les installations au sol comme les « pipelines » ou les lignes à haute tension et provoquer de gigantesques pannes électriques comme cela s’est produit au Québec en 1989.

 Les questions abordées au LPP

  • Etude de la géoeffectivité des irruptions solaires, en particulier des éjections de matière coronales (CME). Le but est d’analyser les effets des CME sur l’environnement terrestre en s’appuyant sur un ensemble de mesures, spatiales et au sol, tout le long de la chaîne Soleil-Terre : Soleil, Milieu Interplanétaire (au point de Lagrange L1, à environ 235 rayons terrestres en direction du soleil), Magnétogaine (en particulier le rôle de l’orientation du champ magnétique lors du passage d’un nuage magnétique), Magnétosphère, Ionosphère, Thermosphère.
  • Etude de l’impact des évènements solaires sur l’ionosphère des moyennes et basses latitudes et plus particulièrement sur leur effet sur les signaux GNSS (GPS, GLONASS, GALLILEO etc…) et les enregistrements magnétiques au sol.
    L’arrivée prochaine du satellite Solar Orbiter à l’instrumentation duquel participe l’équipe, associé aux satellites déjà en orbite terrestre comme MMS, Cluster, THEMIS auxquels sont aussi associés les membres de l’équipe, permettra l’étude couplée des émissions solaires, du vent solaire et des effets sur la magnétosphère avec une instrumentation plus complète et une meilleure résolution temporelle que lors des études précédentes.

 Liens :

  • Bases de données en France :

MEDOC
BASS2000
CDPP


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